JP6621764B2 - Devices and methods for reducing battery defects - Google Patents

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Description

実施形態は、電気化学デバイス、及び電気化学デバイスを製造する方法に関する。より具体的には、実施形態は、１つ以上の細分化された電極層を組み込む電池を含む薄膜電気化学デバイスに関する。   Embodiments relate to electrochemical devices and methods of manufacturing electrochemical devices. More specifically, embodiments relate to thin film electrochemical devices that include a battery that incorporates one or more segmented electrode layers.

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１４年５月２７日出願の米国仮出願第６２／００３，５０９号、及び、２０１５年５月２１日出願の米国仮出願第６２／１６５，１０５号の利益を主張し、本出願はこれらの仮特許出願を参照により本明細書に組み込む。 (Cross-reference of related applications)
This application claims the benefit of US Provisional Application No. 62 / 003,509 filed May 27, 2014 and US Provisional Application No. 62 / 165,105 filed May 21, 2015, The application incorporates these provisional patent applications herein by reference.

薄膜電池（ＴＦＢ）などの固体電池は、従来の電池技術と比較して、より良好なフォームファクタ、サイクル寿命、電力性能及び安全性を提供することで知られている。しかし、固体電池の構造及び製造方法には、製造費用を削減し、性能を向上させるために、更なる最適化が必要である。   Solid state batteries, such as thin film batteries (TFB), are known to provide better form factor, cycle life, power performance and safety compared to conventional battery technology. However, the structure and manufacturing method of solid state batteries require further optimization to reduce manufacturing costs and improve performance.

図１を参照すると、固体電池に組み込むことができる電気化学セル１００は、電解質層１０６によって第２の電極（例えば、カソード層１０４）から分離される第１の電極（例えば、アノード層１０２）を含む。固体電池の製造中に、電極間の内部短絡を引き起こす欠陥１０８が、電解質層１０６に発生することがある。より具体的には、アノード層１０２とカソード層１０４との間に延在するクラック又はピンホールであり得る欠陥１０８は、電池の製造中又は動作中に、電解質層１０６を通して、内部電子リークを引き起こす恐れがある。例えば、アノードリーク１１０が欠陥１０８を通じてカソード層１０４に伝播し、それによって、カソード層１０４の一部若しくは全てを化学的に減少させるか又は過剰に放電させる化学反応１１２が生じ、最終的にはカソード層１０４全体が影響を受けて、電池性能が劣化し、及び／又は電池が無効となる可能性がある。   Referring to FIG. 1, an electrochemical cell 100 that can be incorporated into a solid state battery includes a first electrode (eg, anode layer 102) that is separated from a second electrode (eg, cathode layer 104) by an electrolyte layer 106. Including. During the manufacture of the solid state battery, a defect 108 that causes an internal short circuit between the electrodes may occur in the electrolyte layer 106. More specifically, defects 108, which may be cracks or pinholes extending between anode layer 102 and cathode layer 104, cause internal electron leakage through electrolyte layer 106 during battery manufacture or operation. There is a fear. For example, the anode leak 110 propagates through the defect 108 to the cathode layer 104, thereby resulting in a chemical reaction 112 that chemically reduces or over discharges some or all of the cathode layer 104, and eventually the cathode. The entire layer 104 can be affected, resulting in degraded battery performance and / or invalidation of the battery.

固体電池の構造の実施形態が開示されている。一実施形態において、電気化学セルは、１つ以上の間隙によって電気的に分離された２つ以上のカソードサブ領域の群を有するカソード層と、カソードサブ領域とアノード層との間に電解質層と、を備える。カソードサブ領域は、共通のカソード集電体に電気的に接続してもよい。カソード集電体は連続的な層構造を有してもよく、カソードサブ領域は、このカソード集電体の連続的な層構造を介して互いに電気的に接続している。一実施形態では、カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、「充填」されたか又は固体カソード層であるもの、即ち、カソードサブ領域間の間隙がカソード材料で充填されたものの全投影された表面区域の少なくとも８０％である。一実施形態では、間隙は、誘電体材料、例えば、誘電体ガスによって、少なくとも部分的に充填されている。アノード集電体を、アノード層の上に配置してもよい。リチウムに対して不活性であるような絶縁層を、アノード層の上に配置してもよい。   An embodiment of a solid state battery structure is disclosed. In one embodiment, the electrochemical cell includes a cathode layer having a group of two or more cathode subregions electrically separated by one or more gaps, and an electrolyte layer between the cathode subregion and the anode layer. . The cathode subregion may be electrically connected to a common cathode current collector. The cathode current collector may have a continuous layer structure, and the cathode sub-regions are electrically connected to each other via the cathode current collector continuous layer structure. In one embodiment, the sum of the projected surface area of the cathode subregion is the total projected of what is “filled” or a solid cathode layer, ie, the gap between the cathode subregions is filled with the cathode material. At least 80% of the exposed surface area. In one embodiment, the gap is at least partially filled with a dielectric material, such as a dielectric gas. An anode current collector may be disposed on the anode layer. An insulating layer that is inert to lithium may be disposed on the anode layer.

１つ以上の間隙はまた、電解質層又はアノード層のうちの少なくとも１つによって、部分的に充填されてもよい。例えば、カソードサブ領域は、間隙によって分離されているそれぞれの側壁を備えてもよく、アノード層は、カソードサブ領域の側壁を覆う連続的な層構造を有してもよく、したがって、側壁間の間隙に設けられている。側壁を分離することに加えて、間隙は、側壁間のアノード層の一部を、カソードサブ領域の平坦部上に延在するアノード集電体から、分離しすることができる。   One or more gaps may also be partially filled by at least one of the electrolyte layer or the anode layer. For example, the cathode sub-region may comprise respective sidewalls separated by a gap, and the anode layer may have a continuous layer structure that covers the cathode sub-region sidewalls, and thus between the sidewalls. It is provided in the gap. In addition to separating the sidewalls, the gap can separate a portion of the anode layer between the sidewalls from the anode current collector that extends over the flat portion of the cathode subregion.

一実施形態では、アノード層は、１つ以上の間隙によって分離されたいくつかのアノードサブ領域を備える。例えば、電気化学セルは、不連続な層構造を有するアノード層を含んでもよい。即ち、アノード層は、１つ以上の間隙によって分離されたいくつかのアノードサブ領域を備えてもよい。電解質層は、いくつかのアノードサブ領域とカソード層との間に設けられてもよい。一実施形態では、アノード集電体は、アノードサブ領域上に延在し、連続的な層構造を有することにより、アノードサブ領域は、アノード集電体の連続的な層構造を介して、互いに電気的に接続される。アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、「充填された」又は固体アノード層として説明されるものの全投影された表面区域の２５％未満であってもよい。   In one embodiment, the anode layer comprises a number of anode subregions separated by one or more gaps. For example, an electrochemical cell may include an anode layer having a discontinuous layer structure. That is, the anode layer may comprise several anode subregions separated by one or more gaps. The electrolyte layer may be provided between several anode subregions and the cathode layer. In one embodiment, the anode current collector extends over the anode subregion and has a continuous layer structure so that the anode subregions are connected to each other via the continuous layer structure of the anode current collector. Electrically connected. The total projected surface area of the anode sub-region may be less than 25% of the total projected surface area of what is described as a “filled” or solid anode layer.

一実施形態では、電気化学デバイスは、対応するアノード層によって覆われる対応するカソード層を含む、２つの電気化学セルを備える。カソード層は、間隙によって分離されたいくつかのカソードサブ領域を有してもよい。カソードサブ領域は、共通のカソード集電体に電気的に接続してもよい、即ち、各セルのカソードサブ領域は、対応するカソード集電体を介して、互いに電気的に接続してもよい。一実施形態では、セルは、一つのセルのアノード層が他のセルのアノード層に物理的に接続されるように、積層されている。   In one embodiment, the electrochemical device comprises two electrochemical cells that include corresponding cathode layers covered by corresponding anode layers. The cathode layer may have several cathode subregions separated by gaps. The cathode sub-regions may be electrically connected to a common cathode current collector, i.e., the cathode sub-regions of each cell may be electrically connected to each other via a corresponding cathode current collector. . In one embodiment, the cells are stacked such that the anode layer of one cell is physically connected to the anode layer of another cell.

タブ挿入空間が、積層されたセルのカソード集電体の間に設けられてもよく、タブ挿入空間内にアノード集電タブを設けてもよい。セルのアノード層は、タブ挿入空間を対応するカソード集電体から分離する連続的な層構造を備えてもよい。よって、タブ挿入空間内に設けられたアノード集電タブは、カソード集電体間のアノード層と接続することができる。一実施形態では、リチウムに対しても不活性であるような絶縁層をカソード層間に設け、アノード層に物理的に接続してもよい。   A tab insertion space may be provided between the cathode current collectors of the stacked cells, and an anode current collection tab may be provided in the tab insertion space. The anode layer of the cell may comprise a continuous layer structure that separates the tab insertion space from the corresponding cathode current collector. Therefore, the anode current collection tab provided in the tab insertion space can be connected to the anode layer between the cathode current collectors. In one embodiment, an insulating layer that is also inert to lithium may be provided between the cathode layers and physically connected to the anode layer.

一実施形態では、電気化学セルは、連続的な層構造を有するアノード集電体を備える。アノード層は、アノード集電体の連続的な層構造を介して電気的に接続されるアノードサブ領域に細分化されてもよい。電解質層が、アノードサブ領域とカソード層との間に設けられてもよい。一実施形態では、アノードサブ領域は、アノード集電体と電解質層との間に延在する間隙によって分離されている。間隙は、誘電体材料、例えば、誘電体ガスによって少なくとも部分的に充填されてもよい。セルは、カソード層に電気的に接続される連続的な層構造を有するカソード集電体を含んでもよい。一実施形態では、アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、アノード層の全投影された表面区域の２５％未満である。   In one embodiment, the electrochemical cell comprises an anode current collector having a continuous layer structure. The anode layer may be subdivided into anode sub-regions that are electrically connected through a continuous layer structure of the anode current collector. An electrolyte layer may be provided between the anode subregion and the cathode layer. In one embodiment, the anode sub-regions are separated by a gap that extends between the anode current collector and the electrolyte layer. The gap may be at least partially filled with a dielectric material, such as a dielectric gas. The cell may include a cathode current collector having a continuous layer structure that is electrically connected to the cathode layer. In one embodiment, the total projected surface area of the anode sub-region is less than 25% of the total projected surface area of the anode layer.

一実施形態では、セルのカソード層はいくつかのカソードサブ領域を備えており、少なくとも２つのアノードサブ領域は、各カソードサブ領域の上に設けられている。カソードサブ領域は、アノード集電体とカソード集電体との間に延在する間隙によって、互いから分離されてもよい。間隙は、誘電体材料、例えば、誘電体ガスによって、少なくとも部分的に充填されてもよい。更に、カソードサブ領域は、カソード集電体の連続的な層構造を介して、互いに電気的に接続してもよい。カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、カソード層の全投影された表面区域の少なくとも８０％であってもよい。   In one embodiment, the cathode layer of the cell comprises a number of cathode subregions, and at least two anode subregions are provided on each cathode subregion. The cathode subregions may be separated from each other by a gap extending between the anode current collector and the cathode current collector. The gap may be at least partially filled with a dielectric material, such as a dielectric gas. Further, the cathode sub-regions may be electrically connected to each other through a continuous layer structure of the cathode current collector. The total projected surface area of the cathode sub-region may be at least 80% of the total projected surface area of the cathode layer.

一実施形態では、電気化学デバイスは、対応するアノード層を有する電気化学セルのスタックを備える。アノード層はいくつかのアノードサブ領域を含んでもよく、セルは、アノードサブ領域と対応するカソード層との間に、対応する電解質層を備えてもよい。一実施形態では、連続的な層構造を有するアノード集電体は、カソード層間に設けられ、積層されたセルのアノードサブ領域に物理的に接続される。したがって、アノードサブ領域は、アノード集電体の連続的な層構造を介して、互いに電気的に接続される。セルはまた、対応するセルのカソード層に電気的に接続される対応するカソード集電体を備えてもよい。一実施形態では、アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、各セルのアノード層の全投影された表面区域の２５％未満である。   In one embodiment, the electrochemical device comprises a stack of electrochemical cells having a corresponding anode layer. The anode layer may include several anode subregions, and the cell may include a corresponding electrolyte layer between the anode subregion and the corresponding cathode layer. In one embodiment, an anode current collector having a continuous layer structure is provided between the cathode layers and physically connected to the anode sub-region of the stacked cells. Thus, the anode sub-regions are electrically connected to each other through the continuous layer structure of the anode current collector. The cell may also include a corresponding cathode current collector that is electrically connected to the cathode layer of the corresponding cell. In one embodiment, the total projected surface area of the anode sub-region is less than 25% of the total projected surface area of the anode layer of each cell.

上記概要には、本発明の全ての態様の網羅的なリストを挙げてはいない。本発明には、前述でまとめた種々の態様の全ての好適な組合せからの実施可能な全てのシステム及び方法が含まれ、並びに以下の、発明を実施するための形態で開示されるもの、特に本出願と共に提出された請求項において指摘されるものが含まれると考えられる。かかる組合せには、上記概要では具体的に説明されていない特定の利点がある。   The above summary is not an exhaustive list of all aspects of the invention. The present invention includes all practicable systems and methods from all suitable combinations of the various aspects summarized above, and is disclosed in the following Detailed Description, particularly It is considered to include what is pointed out in the claims filed with this application. Such combinations have certain advantages not specifically described in the above summary.

電解質層に欠陥を有する電気化学セルの側面図である。It is a side view of the electrochemical cell which has a defect in an electrolyte layer. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの平面図である。1 is a plan view of an electrochemical cell having a fragmented cathode layer, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの、図２の線Ａ−Ａに沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of an electrochemical cell having a fragmented cathode layer, taken along line AA in FIG. 2, according to one embodiment. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the electrochemical cell having defects in the electrolyte layer on the segmented cathode layer, taken along line AA in FIG. 2, according to one embodiment. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the electrochemical cell having defects in the electrolyte layer on the segmented cathode layer, taken along line AA in FIG. 2, according to one embodiment. 一実施形態に係る、無効化されたカソードサブ領域を有する電気化学セルの平面図である。2 is a plan view of an electrochemical cell having a disabled cathode sub-region, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの側面図である。1 is a side view of an electrochemical cell having a fragmented cathode layer, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層及びアノード集電タブを有する電気化学セルの平面図である。1 is a plan view of an electrochemical cell having a segmented cathode layer and an anode current collector tab, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学デバイスの断面図である。1 is a cross-sectional view of an electrochemical device having defects in an electrolyte layer on a segmented cathode layer, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学デバイスの断面図である。1 is a cross-sectional view of an electrochemical device having defects in an electrolyte layer on a segmented cathode layer, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層間に中間層を有する電気化学デバイスの断面図である。1 is a cross-sectional view of an electrochemical device having an intermediate layer between segmented cathode layers, according to one embodiment. 一実施形態に係る、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの平面図である。1 is a plan view of an electrochemical cell having a segmented anode layer, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of an electrochemical cell having a segmented anode layer, taken along line CC in FIG. 10, according to one embodiment. 一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of the electrochemical cell having defects in the electrolyte layer under the fragmented anode layer according to one embodiment, taken along line CC in FIG. 10. 一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of the electrochemical cell having defects in the electrolyte layer under the fragmented anode layer according to one embodiment, taken along line CC in FIG. 10. 一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of the electrochemical cell having defects in the electrolyte layer under the fragmented anode layer according to one embodiment, taken along line CC in FIG. 10. 一実施形態に係る、細分化されたアノード層間にアノード集電体を有する電気化学デバイスの側面図である。1 is a side view of an electrochemical device having an anode current collector between segmented anode layers, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層の上に、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの平面図である。1 is a plan view of an electrochemical cell having a segmented anode layer on a segmented cathode layer, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、細分化されたカソード層の上に、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの、図１５のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view of the electrochemical cell having the segmented anode layer on the segmented cathode layer, taken along line DD in FIG. 15 according to one embodiment. 一実施形態に係る、アノードリークからカソード層を分離するための方法を示すフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a method for separating a cathode layer from anode leakage, according to one embodiment. 一実施形態に係る、欠陥検出動作中の、電気化学セルの側面図である。FIG. 3 is a side view of an electrochemical cell during a defect detection operation according to one embodiment. 一実施形態に係る、電解質層に欠陥を有する前駆セルの側面図である。It is a side view of the precursor cell which has a defect in an electrolyte layer concerning one embodiment. 一実施形態に係る、埋め戻された電解質層を有する電気化学セルの側面図である。1 is a side view of an electrochemical cell having a backfilled electrolyte layer, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、電解質層に欠陥を有する電気化学セルの側面図である。1 is a side view of an electrochemical cell having defects in an electrolyte layer according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、アノードリークから分離されたカソード層を有する電気化学セルの側面図である。1 is a side view of an electrochemical cell having a cathode layer separated from anode leakage, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、アノードリークから分離されたカソード層を有する電気化学セルの側面図である。1 is a side view of an electrochemical cell having a cathode layer separated from anode leakage, according to one embodiment. FIG. 一実施形態に係る、アノードリークから分離されたカソード層を有する電気化学セルの側面図である。1 is a side view of an electrochemical cell having a cathode layer separated from anode leakage, according to one embodiment. FIG.

実施形態は、薄膜電池などの固体電池についての構造及び製造方法を記載している。しかし、いくつかの実施形態は固体電池内での集積化のための製造プロセス又は構造に関して具体的に説明しているが、実施形態はそれらに限定されるものではなく、特定の実施形態は、他の用途にも適用することができる。例えば、以下に説明する実施形態の１つ以上は、シリコンベースの太陽電池などの他の層状要素を製造するために使用することができる。   Embodiments describe structures and manufacturing methods for solid state batteries such as thin film batteries. However, although some embodiments are specifically described with respect to a manufacturing process or structure for integration within a solid state battery, the embodiments are not limited thereto, and specific embodiments are It can be applied to other uses. For example, one or more of the embodiments described below can be used to manufacture other layered elements such as silicon-based solar cells.

さまざまな実施形態において、図面を参照して説明する。しかし、特定の実施形態を、これらの特定の詳細のうち１つ以上を伴わないで、又は他の既知の方法及び構成と組み合わせて、実施することができる。以下の説明において、実施形態の完全な理解を提供するために、具体的な構成、寸法、及びプロセスなどの、多数の特定の詳細が記載されている。他の例では、説明を不必要に不明瞭にしないために、周知のプロセス及び製造技術については特に詳細に説明していない。本明細書全体を通して「一実施形態（one embodiment）」、「一実施形態（an embodiment）」などへの言及は、説明される特定の特徴、構造、構成、若しくは特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通じて各所に現れる「一実施形態（one embodiment）」、「一実施形態（an embodiment）」などのフレーズは、必ずしも同一の実施形態を指すものではない。更に、この特定の特徴、構造、構成、又は特性は、１つ以上の実施形態の中で任意の好適な方法で組み合わせることができる。   Various embodiments will be described with reference to the drawings. However, certain embodiments may be practiced without one or more of these specific details or in combination with other known methods and configurations. In the following description, numerous specific details are set forth, such as specific configurations, dimensions, and processes, in order to provide a thorough understanding of the embodiments. In other instances, well known processes and manufacturing techniques have not been described in particular detail in order not to unnecessarily obscure the description. Throughout this specification, references to “one embodiment,” “an embodiment,” and the like refer to a particular feature, structure, configuration, or characteristic that is described in at least one embodiment. It is included in. Accordingly, phrases such as “one embodiment” and “an embodiment” appearing throughout the specification are not necessarily referring to the same embodiment. Furthermore, this particular feature, structure, configuration, or characteristic may be combined in any suitable manner within one or more embodiments.

一態様では、電気化学セルは、アノード層とカソード層との間の電解質層など、いくつかの層を含むことができる。電気化学セルの層の各々は、細分化された方法で形成することができる。例えば、電極層のうちの１つ以上、即ちアノード層又はカソード層を、パターンに従って間隙を除去するようにパターン化することで、細分化層を構成する島を本質的に残すことができる。アノード又はカソードの島の「層」を製造するための他の方法も可能である。   In one aspect, the electrochemical cell can include several layers, such as an electrolyte layer between the anode layer and the cathode layer. Each of the layers of the electrochemical cell can be formed in a fragmented manner. For example, one or more of the electrode layers, i.e. the anode layer or the cathode layer, can be patterned to remove the gaps according to the pattern, essentially leaving the islands that make up the subdivision layer. Other methods for producing anode or cathode island "layers" are possible.

一態様では、カソードサブ領域に細分化されたカソード層を有する電気化学セルが提供される。例えば、カソード層は、サブ領域間の間隙によって分離された、いくつかの矩形のサブ領域に細分化することができる。したがって、各サブ領域を他から分離することができ、よって、１つのカソードサブ領域内で化学的に反応するアノードリークは、他のカソードサブ領域に伝播しないか、又は、それに影響を与えない。更に、間隙はまた、カソードサブ領域上に設けられたアノード層領域間を分離する役割をも果たし、電解質層の欠陥とアノード集電体との間に開回路が形成される前に、カソードサブ領域に漏出するアノード材料を制限する。一実施形態において、カソードサブ領域は、共通の、又は共有された、カソード集電体に、電気的に接続されて物理的に連結してもよい。したがって、カソードサブ領域は、カソード集電体を介して、互いに電気的に接続してもよい。例えば、カソードサブ領域は共通のカソード集電体に直接接続してもよく、又はバリアフィルム層などの１つ以上の中間層が、カソードサブ領域を共通のカソード集電体に連結してもよい。これにより、製造歩留りを向上させることができ、電気化学セルは、アノードリークによって引き起こされる劣化に対して、より耐性を有することができる。   In one aspect, an electrochemical cell is provided having a cathode layer subdivided into cathode subregions. For example, the cathode layer can be subdivided into several rectangular sub-regions separated by gaps between the sub-regions. Thus, each sub-region can be separated from the other, so that anode leaks that react chemically within one cathode sub-region do not propagate to or affect the other cathode sub-region. In addition, the gap also serves to separate the anode layer regions provided on the cathode sub-region, before the cathode sub-region is formed between the electrolyte layer defect and the anode current collector. Limit the anode material leaking into the area. In one embodiment, the cathode sub-regions may be electrically connected and physically coupled to a common or shared cathode current collector. Accordingly, the cathode sub-regions may be electrically connected to each other via the cathode current collector. For example, the cathode subregion may be directly connected to a common cathode current collector, or one or more intermediate layers, such as a barrier film layer, may couple the cathode subregion to the common cathode current collector. . This can improve manufacturing yield and make the electrochemical cell more resistant to degradation caused by anode leakage.

一態様では、アノードサブ領域に細分化されたアノード層を有する電気化学セルが提供される。例えば、アノード層を、１つ以上の間隙によって分離された複数の矩形のサブ領域に細分化することができる。別の実施形態では、パターン化されたアノードの島を有する細分化されたアノード層を、細分化されたカソード層の上に設けてもよい。したがって、１つ以上のアノードサブ領域を、１つのカソードサブ領域上に配置することができる。いずれの場合においても、アノードサブ領域の全投影された表面区域は、「充填された」又は固体アノード層とされるものの全投影された表面区域の一部を占めることができる。これにより、特定のアノードサブ領域に隣接する電解質層が欠陥となる確率は低減され、欠陥がアノードサブ領域と接触した場合であっても、結果として生じるアノードリークは１つのアノードサブ領域を枯渇させ（それによって、そのサブ領域は動作から本質的に除外される）ても、他のアノードサブ領域は枯渇させない。更に、孤立したアノードサブ領域のリークが生じると、そのアノードサブ領域に隣接する電解質層の部分とアノード集電体との間に、１つ以上の間隙が形成されてもよい。これが、隣接するアノードサブ領域に（アノード集電体及び欠陥を介して）生じる電気的な放電の可能性を減少させるのに役立つ。これにより、製造歩留りを向上させることができ、電気化学セルは、アノードリークによって引き起こされる劣化に対して、より耐性を有することができる。   In one aspect, an electrochemical cell is provided having an anode layer subdivided into anode subregions. For example, the anode layer can be subdivided into a plurality of rectangular sub-regions separated by one or more gaps. In another embodiment, a segmented anode layer having patterned anode islands may be provided on the segmented cathode layer. Thus, one or more anode subregions can be disposed on one cathode subregion. In any case, the total projected surface area of the anode sub-region can occupy a portion of the total projected surface area of what is “filled” or a solid anode layer. This reduces the probability that the electrolyte layer adjacent to a particular anode sub-region will be defective, and even if the defect contacts the anode sub-region, the resulting anode leakage will deplete one anode sub-region. (Thus, that sub-region is essentially excluded from operation) and does not deplete other anode sub-regions. Further, when leakage occurs in an isolated anode sub-region, one or more gaps may be formed between the portion of the electrolyte layer adjacent to the anode sub-region and the anode current collector. This helps to reduce the possibility of electrical discharges occurring (via the anode current collector and defects) in adjacent anode subregions. This can improve manufacturing yield and make the electrochemical cell more resistant to degradation caused by anode leakage.

一態様では、電解質層に修復された欠陥を有する電気化学セルが提供される。より具体的には、電気化学セルは、カソード層を劣化させる恐れのあるアノードリークの可能性を低減するために、前駆の状態又は組み立てられた状態に変形されてもよい。修復は、欠陥を含む電解質層の一部を充填及び／又は埋め戻すことを含んでもよい。修復は、欠陥の上に位置するアノード層の部分を除去することを含んでもよく、それによって、アノード層は、欠陥を通ってカソード層に漏出することができなくなる。修復は、欠陥の周りにチャネルを形成することを含んでもよく、アノードリークが発生した場合でも、欠陥の下にあるカソード層の第１部分は、カソード層の第２部分から分離され、よって、カソード層の劣化は第１部分の劣化に限定される。   In one aspect, an electrochemical cell having defects repaired in an electrolyte layer is provided. More specifically, the electrochemical cell may be transformed into a precursor or assembled state to reduce the potential for anode leakage that can degrade the cathode layer. Repair may include filling and / or backfilling a portion of the electrolyte layer that includes defects. Repair may include removing the portion of the anode layer that overlies the defect, thereby preventing the anode layer from leaking through the defect to the cathode layer. Repair may include forming a channel around the defect, and even if an anode leak occurs, the first portion of the cathode layer under the defect is separated from the second portion of the cathode layer, thus The deterioration of the cathode layer is limited to the deterioration of the first portion.

図２を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの平面図が示されている。電気化学セル２００は、カソード層の上にアノード層２０２を備えることができる。更に、カソード層は、図２に隠線で示されるように、アノード層２０２の下に電気化学セル２００にわたって間隔を置いて並べられてパターン化された、１つ以上のカソードサブ領域２０４に細分化されてもよい。より具体的には、カソードサブ領域２０４は、１つ以上の間隙２０６によって、互いに分離されてもよい。例えば、１つ以上の間隙２０６が各カソードサブ領域２０４を囲むことで、カソードサブ領域２０４を、隣接するカソードサブ領域２０４から物理的に分離してもよい。   Referring to FIG. 2, a top view of an electrochemical cell having a fragmented cathode layer is shown according to one embodiment. The electrochemical cell 200 can include an anode layer 202 over the cathode layer. In addition, the cathode layer is subdivided into one or more cathode sub-regions 204 that are spaced apart and patterned across the electrochemical cell 200 under the anode layer 202, as indicated by hidden lines in FIG. May be used. More specifically, the cathode subregions 204 may be separated from each other by one or more gaps 206. For example, one or more gaps 206 may surround each cathode subregion 204 to physically separate the cathode subregion 204 from adjacent cathode subregions 204.

一実施形態において、カソード層は格子パターンを含むことができ、各カソードサブ領域２０４は矩形の表面区域を含み、電気化学セル２００を横断する１つ以上の線状間隙２０６により、隣接するカソードサブ領域２０４から分離されている。即ち、カソード層は、都市ブロック及び街路のように配置された、いくつかのカソードサブ領域２０４と１つ以上の間隙２０６を有してもよい。格子パターン及び都市ブロックの隠喩は、製造に適している。例えば、基板上にカソード材料を堆積した後、又は、カソード材料をカソード集電体に接続した後、カソード層材料を除去し、カソードサブ領域２０４の間に１つ以上の間隙２０６を形成するために、レーザスクライビングを使用することができる。あるいは、無充填の１つ以上の間隙２０６となるマスク領域によって分離されたカソードサブ領域２０４を形成するために、シャドウマスクを使用することができる。しかし、他のカソード層パターンを使用してもよい。例えば、１つ以上の間隙２０６を任意の形状にレーザスクライビングして、例えば、多角形、円錐形、楕円形等の島である分離されたカソードサブ領域２０４を形成してもよい。カソードサブ領域２０４は、カソード層の他のカソードサブ領域２０４と比較して、同じ形状を有してもよく、異なる形状を有してもよい。   In one embodiment, the cathode layer can include a grid pattern, each cathode sub-region 204 including a rectangular surface area, and adjacent cathode sub-regions by one or more linear gaps 206 that traverse the electrochemical cell 200. Separated from region 204. That is, the cathode layer may have several cathode sub-regions 204 and one or more gaps 206 arranged like city blocks and streets. Lattice patterns and city block metaphors are suitable for manufacturing. For example, after depositing the cathode material on the substrate or connecting the cathode material to the cathode current collector, the cathode layer material is removed to form one or more gaps 206 between the cathode subregions 204. In addition, laser scribing can be used. Alternatively, a shadow mask can be used to form cathode subregions 204 separated by a mask region that becomes one or more unfilled gaps 206. However, other cathode layer patterns may be used. For example, one or more gaps 206 may be laser scribed into any shape to form isolated cathode sub-regions 204, for example, islands such as polygons, cones, ellipses, and the like. The cathode subregion 204 may have the same shape or a different shape compared to the other cathode subregions 204 of the cathode layer.

カソードサブ領域２０４の形状にかかわらず、上から見た時に、カソード層は、電気化学セルの外周２０８内に、各カソードサブ領域２０４の表面区域の合計と各間隙２０６の表面区域の合計とを含む全投影された表面区域を含むことができる。例えば、各カソードサブ領域２０４は、辺の長さが等しい正方形の形状の投影された表面区域を有してもよい。更に、各間隙２０６は、レーザビームによりカソード層を切除することで同じ幅を有する溝の格子、即ち、カソード材料のない溝を生成することで形成されてもよい。したがって、電気化学セルの外周２０８内のカソード層の全投影された表面区域は、正方形の投影された表面区域、並びに、１つ以上の間隙内の投影された表面区域の全てを含んでもよい。一実施形態では、パターン化されたカソード領域の利用率、即ち、個々のカソードサブ領域の投影された表面区域の合計がカソード層の全投影された表面区域に対して占める比率は、２〜５％の誤差率で、７５％よりも大きくてもよい。例えば、パターン化されたカソード領域の利用率は、２〜５％の誤差率で、少なくとも８０％であってもよい。一実施形態では、格子パターンは、一つ以上の１０マイクロメートルの間隙によって分離された１００マイクロメートルの辺を有する正方形のカソードサブ領域２０４を有する。したがって、パターン化されたカソード領域の利用率は、８３％であると予想することができる。１つ以上の間隙２０６を狭くするかカソードサブ領域２０４を拡大することによって、パターン化されたカソード領域の利用率を向上させることができる。   Regardless of the shape of the cathode sub-region 204, when viewed from above, the cathode layer contains the sum of the surface area of each cathode sub-region 204 and the sum of the surface area of each gap 206 within the outer periphery 208 of the electrochemical cell. The entire projected surface area can be included. For example, each cathode sub-region 204 may have a projected surface area of a square shape with equal side lengths. Further, each gap 206 may be formed by cutting a cathode layer with a laser beam to create a grid of grooves having the same width, i.e., grooves without cathode material. Thus, the total projected surface area of the cathode layer within the outer periphery 208 of the electrochemical cell may include all of the square projected surface areas as well as the projected surface areas within one or more gaps. In one embodiment, the utilization of the patterned cathode region, i.e. the ratio of the total projected surface area of the individual cathode sub-regions to the total projected surface area of the cathode layer is 2-5. % Error rate and may be greater than 75%. For example, the utilization of the patterned cathode region may be at least 80% with an error rate of 2-5%. In one embodiment, the grid pattern has square cathode sub-regions 204 having 100 micrometer sides separated by one or more 10 micrometer gaps. Thus, the utilization of the patterned cathode region can be expected to be 83%. By narrowing one or more gaps 206 or enlarging the cathode subregion 204, the utilization of the patterned cathode region can be improved.

図３を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの、図２の線Ａ−Ａに沿った断面図が示されている。一実施形態では、電気化学セル２００は、アノード層２０２とカソード層３０４との間に、より具体的には、アノード層２０２と１つ以上のカソードサブ領域２０４との間に、電解質層３０２を備えることができる。更に、バリアフィルム層３０６が、任意選択的に、カソード層とカソード集電体３０８との間にあってもよい。一実施形態では、カソード集電体３０８は、１つ以上のカソードサブ領域２０４の下に延在する、連続的な層構造、例えば、連続したシート又はフィルム、を有してもよい。上述したように、カソードサブ領域２０４のそれぞれは１つ以上の間隙２０６によって分離されてもよく、この間隙は、カソード層３０４内のカソードサブ領域２０４間の空間を画定する。したがって、カソードサブ領域２０４は、カソード集電体３０８の連続的な層構造を介して、互いに電気的に接続することができる。   Referring to FIG. 3, a cross-sectional view along line AA of FIG. 2 of an electrochemical cell having a fragmented cathode layer is shown according to one embodiment. In one embodiment, the electrochemical cell 200 includes an electrolyte layer 302 between the anode layer 202 and the cathode layer 304, more specifically between the anode layer 202 and one or more cathode subregions 204. Can be provided. Further, a barrier film layer 306 may optionally be between the cathode layer and the cathode current collector 308. In one embodiment, the cathode current collector 308 may have a continuous layer structure, such as a continuous sheet or film, that extends below one or more cathode subregions 204. As described above, each of the cathode subregions 204 may be separated by one or more gaps 206 that define a space between the cathode subregions 204 in the cathode layer 304. Thus, the cathode subregions 204 can be electrically connected to each other through the continuous layer structure of the cathode current collector 308.

また、この明細書を通して使用される連続的な層構造は完全に充填された層であってもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。即ち、連続的な層構造は、層の厚さを通る、穴、間隙、空隙、などの１つ以上の局所的な不連続を含み、その層を物理的に不連続にすることができるが、層はそれにもかかわらず、連続的な層構造上の１つの場所における電位が連続的な層構造上の他の任意の位置における電位と実質的に等しいという点で、電気的に連続していてもよい。同様に、連続的な層構造が物理的に連続しており、層の表面に沿って不連続部を有さないものの、それにもかかわらず、表面に沿った異なる位置に異なる電位を有する絶縁層の場合と同様に、例えば、電気的に不連続であってもよい。したがって、連続的な層構造とは、物理的に連続的か及び／又は電気的に連続的か、のうちの１つ以上であることができる。   Also, the continuous layer structure used throughout this specification may be a fully filled layer, but this is not necessarily so. That is, a continuous layer structure can include one or more local discontinuities, such as holes, gaps, voids, etc., through the thickness of the layer, which can make the layer physically discontinuous. The layer is nevertheless electrically continuous in that the potential at one location on the continuous layer structure is substantially equal to the potential at any other position on the continuous layer structure. May be. Similarly, an insulating layer whose continuous layer structure is physically continuous and has no discontinuities along the surface of the layer, but nevertheless has different potentials at different locations along the surface Similarly to the case, for example, it may be electrically discontinuous. Thus, a continuous layer structure can be one or more of physically continuous and / or electrically continuous.

カソード層３０４のパターン化されたカソード材料、即ち、カソードサブ領域２０４は、例えば、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＭｎＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＶＯ2、若しくは任意の混合物、又はその化学的誘導体を含んでもよい。電解質層３０２は、カソードサブ領域２０４とアノード層２０２との間のイオンの移動を容易にすることができる。したがって、電解質層３０２は固体電解質とすることができ、液体成分を含まなくてもよく、固体薄膜に配合されるバインダー又はセパレータ材料を必要としなくてもよい。例えば、電解質層３０２は、窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）、又は、ＬｉＡｌＦ4、Ｌｉ3ＰＯ4でドープされたＬｉ4ＳｉＳ4などの他の固体の薄膜電解質を含んでもよい。アノード層２０２は、例えば、リチウム、リチウム合金、リチウムを含む固溶体若しくは化学物質を形成できる金属、又はリチウムベースの電池において負のアノード材料（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12など）として使用することができる、いわゆるリチウムイオン化合物、を含むことができる。 Patterned cathode material of the cathode layer 304, i.e., the cathode sub-region 204 is, for example, LiCoO 2, LiMn 2 O 4 , LiMnO 2, LiNiO 2, LiFePO 4, LiVO 2, or any mixture or chemical Derivatives may also be included. The electrolyte layer 302 can facilitate the movement of ions between the cathode subregion 204 and the anode layer 202. Thus, the electrolyte layer 302 can be a solid electrolyte and may not include a liquid component and may not require a binder or separator material blended into the solid film. For example, the electrolyte layer 302 may include other solid thin film electrolytes such as Lithium Nitride Phosphate (LiPON) or Li 4 SiS 4 doped with LiAlF 4 , Li 3 PO 4 . The anode layer 202 can be used, for example, as a negative anode material (such as Li 4 Ti 5 O 12 ) in lithium, lithium alloys, metals that can form solid solutions or chemicals containing lithium, or lithium-based batteries. So-called lithium ion compounds can be included.

一実施形態では、カソード層サブ領域２０４は、導電層又は導電性タブとすることができるカソード集電体３０８に、電気的に接続してもよい。同様に、アノード層２０２は、導電層又は導電性タブとすることができるアノード集電体３１０に、電気的に接続してもよい。任意選択的に、１つ以上の中間層を、カソード層３０４のパターン化されたカソード材料又はアノード層２０２と、それぞれの集電体との間に設けてもよい。例えば、バリアフィルム層３０６は、カソードサブ領域２０４をカソード集電体３０８から分離することができる。例えば、バリアフィルム層３０６は、カソードサブ領域２０４及びカソード集電体３０８と、物理的に直接接触してもよい。バリアフィルム層３０６によって、汚染物質及び／又はイオンがカソード集電体３０８とカソードサブ領域２０４との間に拡散する可能性を低減することができる。したがって、バリアフィルム層３０６は、イオン伝導性が低い導体である材料（ホウ化物、炭化物、ダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン、ケイ化物、窒化物、リン化物、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、及びこれらの化合物など）を含んでも良い。あるいは、基板層などの追加の中間層を、カソード層３０４とカソード集電体３０８との間に設けてもよい。基板層は、例えば、カソードサブ領域２０４とカソード集電体３０８との間の電気的接続を与えてもよく、例えば、剛性などの構造的支持を、電気化学セル２００に与えてもよい。したがって、基板層は金属箔又は他の導電性層を含んでもよい。   In one embodiment, the cathode layer sub-region 204 may be electrically connected to a cathode current collector 308, which can be a conductive layer or a conductive tab. Similarly, the anode layer 202 may be electrically connected to an anode current collector 310, which can be a conductive layer or a conductive tab. Optionally, one or more intermediate layers may be provided between the patterned cathode material or anode layer 202 of the cathode layer 304 and the respective current collector. For example, the barrier film layer 306 can separate the cathode subregion 204 from the cathode current collector 308. For example, the barrier film layer 306 may be in direct physical contact with the cathode subregion 204 and the cathode current collector 308. The barrier film layer 306 can reduce the likelihood that contaminants and / or ions will diffuse between the cathode current collector 308 and the cathode subregion 204. Therefore, the barrier film layer 306 is made of a material having a low ion conductivity (boride, carbide, diamond, diamond-like carbon, silicide, nitride, phosphide, oxide, fluoride, chloride, bromide, iodine). And compounds thereof, etc.). Alternatively, an additional intermediate layer such as a substrate layer may be provided between the cathode layer 304 and the cathode current collector 308. The substrate layer may provide, for example, an electrical connection between the cathode subregion 204 and the cathode current collector 308, and may provide structural support, such as rigidity, to the electrochemical cell 200. Thus, the substrate layer may include a metal foil or other conductive layer.

いくつかの場合では、セルの電気化学的に活性な層を、基板層の一つの側に、例えば、物理蒸着等の材料堆積技術を用いて形成することができ、カソード集電体３０８は、別個に形成され、基材層の別の側に物理的に連結してもよい。他の場合では、セルの電気化学的に活性な層を基板層上に形成してもよく、続いて、電気化学的に活性な層は、基板層から除去され、別個に形成されたカソード集電体３０８に物理的に連結されてもよい。更に他の例では、セルの電気化学的に活性な層を、カソード集電体３０８の上に、例えば、物理蒸着されて直接形成してもよい。このように、いくつかの電気化学的に活性な層を有する電気化学セル２００を生成するのには多くの異なる方法がある。   In some cases, the electrochemically active layer of the cell can be formed on one side of the substrate layer using a material deposition technique, such as physical vapor deposition, and the cathode current collector 308 includes: It may be formed separately and physically connected to the other side of the substrate layer. In other cases, the electrochemically active layer of the cell may be formed on the substrate layer, and then the electrochemically active layer is removed from the substrate layer and a separately formed cathode assembly. The electronic body 308 may be physically connected. In yet another example, the electrochemically active layer of the cell may be formed directly on the cathode current collector 308, for example, by physical vapor deposition. As such, there are many different ways to produce an electrochemical cell 200 having several electrochemically active layers.

一実施形態では、パターン化されたカソード層３０４内の１つ以上の間隙２０６は、誘電体３１２によって少なくとも部分的に充填されている。より具体的には、対応するカソードサブ領域２０４の側壁３１４は、誘電性流体又は固体、例えば不活性ガスなどの誘電体ガスなどによって分離することができる。更に、複数の誘電体材料又は他の材料が１つ以上の間隙２０６を占有することができる。例えば、電解質層３０２及び／又はアノード層２０２は、側壁３１４と、バリアフィルム層３０６の上に堆積され、パターン化されたカソード層３０４のカソードサブ領域２０４の間の１つ以上の間隙２０６を少なくとも部分的に充填することができる。アノード層２０２及び／又は電解質層３０２をカソードサブ領域２０４の上に連続的な層で堆積することができ、それによって隣接するカソードサブ領域２０４にわたって、連続的な被覆を形成することができる。即ち、アノード層２０２及び／又は電解質層３０２は、連続的な層構造、例えば、シート又はフィルム構造を有してもよい。連続的な被覆は、カソードサブ領域２０４の上に、例えば、カソードサブ領域２０４とアノード集電体３１０の間に、並びに、カソードサブ領域２０４の間の側面に沿って、例えば、隣接するカソードサブ領域２０４の側壁３１４の間に、及び／又はそれを覆って、配置することができる。更に、アノード層２０２又は電解質層３０２のうちの１つ以上がカソードサブ領域２０４の上に連続的な層として堆積されることができ、少なくとも部分的に間隙２０６を充填するので、堆積した層の並置された表面は、互いに対向してもよい。このことは図３に示されており、アノード層２０２の側面に沿って対向する面は、誘電体３１２、例えば、誘電体ガス、を挟んで互いに対向する。同様に、アノード層２０２の連続的な層構造は側壁を覆ってもよく、誘電体３１２がカソード集電体３１０から、間隙２０６内のアノード層の部分（例えば、バリアフィルム層３０６のすぐ上方の間隙２０６の底部における部分）を分離する。一実施形態では、誘電体３１２は存在せず、アノード層２０２の対向面同士は互いに接触することにより、隣接するカソードサブ領域２０４の間の間隙２０６の少なくとも一部を完全に充填する。即ち、アノード層２０２の並置面は、間隙２０６の下半分に沿って接触し、カソードサブ領域２０４の下部の間の空間を完全に充填することができる。一方、アノード層２０２の並置面は、間隙２０６の上半分に沿って、図３に示されるように、間隙２０６の全体を挟んで同様に誘電体３１２によって分離することができる。したがって、１つ以上の間隙２０６は、隣接するカソードサブ領域２０４の間で、物理的及び電気化学的分離を提供することができる。更に、１つのカソードサブ領域２０４を覆うアノード層２０２の部分は、隣接するカソードサブ領域２０４の上にあるアノード層２０２から物理的に分離されてもよい。しかし、カソードサブ領域２０４を覆うアノード層の部分は、カソードサブ領域２０４とアノード集電体３１０との間に挟まれてもよい。   In one embodiment, one or more gaps 206 in patterned cathode layer 304 are at least partially filled with dielectric 312. More specifically, the sidewalls 314 of the corresponding cathode subregion 204 can be separated by a dielectric fluid or a solid, for example, a dielectric gas such as an inert gas. In addition, multiple dielectric materials or other materials can occupy one or more gaps 206. For example, the electrolyte layer 302 and / or the anode layer 202 is deposited on the sidewalls 314 and the barrier film layer 306 to at least include one or more gaps 206 between the cathode subregions 204 of the patterned cathode layer 304. Can be partially filled. The anode layer 202 and / or the electrolyte layer 302 can be deposited in a continuous layer over the cathode sub-region 204, thereby forming a continuous coating over adjacent cathode sub-regions 204. That is, the anode layer 202 and / or the electrolyte layer 302 may have a continuous layer structure, for example, a sheet or film structure. The continuous coating may be formed on the cathode subregion 204, for example, between the cathode subregion 204 and the anode current collector 310, and along the side surface between the cathode subregions 204, for example, adjacent cathode subregions. It can be placed between and / or over the side walls 314 of the region 204. Further, one or more of the anode layer 202 or the electrolyte layer 302 can be deposited as a continuous layer on the cathode subregion 204 and at least partially fill the gap 206 so that the deposited layer The juxtaposed surfaces may oppose each other. This is shown in FIG. 3, and the surfaces facing the side surfaces of the anode layer 202 face each other with a dielectric 312 such as a dielectric gas in between. Similarly, the continuous layer structure of the anode layer 202 may cover the sidewalls, with the dielectric 312 from the cathode current collector 310 to a portion of the anode layer in the gap 206 (eg, just above the barrier film layer 306). The portion at the bottom of the gap 206 is separated. In one embodiment, there is no dielectric 312 and the opposing surfaces of the anode layer 202 are in contact with each other to completely fill at least a portion of the gap 206 between adjacent cathode subregions 204. That is, the juxtaposed surfaces of the anode layer 202 can contact along the lower half of the gap 206 and completely fill the space between the lower portions of the cathode subregions 204. On the other hand, the juxtaposed surface of the anode layer 202 can be similarly separated by the dielectric 312 across the entire gap 206 along the upper half of the gap 206 as shown in FIG. Thus, one or more gaps 206 can provide physical and electrochemical separation between adjacent cathode subregions 204. Further, the portion of the anode layer 202 that covers one cathode subregion 204 may be physically separated from the anode layer 202 that overlies the adjacent cathode subregion 204. However, the portion of the anode layer that covers the cathode subregion 204 may be sandwiched between the cathode subregion 204 and the anode current collector 310.

図４Ａを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図が示されている。一実施形態では、電解質層３０２は、欠陥を含み得る。欠陥としては、例えば、ナノクラック、マイクロクラック、又はピンホールなどの空隙４０２を挙げることができる。空隙４０２は、電池の製造中又は電池の動作中に、電解質層３０２内で生じる恐れがある。空隙４０２に関するさまざまな原因としては、カソード集電体３０８、バリアフィルム層３０６、カソード層３０４、又は電解質層３０２のうちのいずれのものの、最適以下の形態又は清浄度が挙げられる。更に、外部短絡、機械的酷使、熱的酷使等、空隙４０２が発生する恐れがある。いずれの場合にも、空隙４０２は、アノード層２０２とカソード層３０４との間の電気的リークをもたらす可能性がある。即ち、アノードリーク４０４は、アノード層２０２の材料が、空隙４０２を通って、カソード層３０４のカソードサブ領域２０４に入り込む時に生じ得る。アノード材料がカソード材料と相互作用すると、化学反応４０６が、カソードサブ領域２０４を通って伝播し、電気化学セルの機能を劣化させる望ましくない化学生成物が生成される恐れがある。   Referring to FIG. 4A, a cross-sectional view along line AA of FIG. 2 is shown of an electrochemical cell having defects in the electrolyte layer on the segmented cathode layer, according to one embodiment. In one embodiment, the electrolyte layer 302 can include defects. Examples of the defect include a void 402 such as a nano crack, a micro crack, or a pinhole. The air gap 402 may occur in the electrolyte layer 302 during battery manufacture or battery operation. Various causes for the air gap 402 include sub-optimal morphology or cleanliness of any of the cathode current collector 308, barrier film layer 306, cathode layer 304, or electrolyte layer 302. Furthermore, the air gap 402 may occur due to an external short circuit, mechanical abuse, thermal abuse, or the like. In either case, the air gap 402 can cause an electrical leak between the anode layer 202 and the cathode layer 304. That is, the anode leak 404 can occur when the material of the anode layer 202 enters the cathode subregion 204 of the cathode layer 304 through the voids 402. As the anode material interacts with the cathode material, the chemical reaction 406 can propagate through the cathode sub-region 204 and produce undesirable chemical products that degrade the function of the electrochemical cell.

図４Ｂを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層内に欠陥を有する電気化学セルの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図が示されている。アノードリーク４０４が持続するにつれて、カソードサブ領域２０４にわたる化学反応４０６は継続し、この図に示されるように、カソードサブ領域２０４上のアノード層２０２が併せて消滅することを伴う可能性がある。即ち、空隙４０２の真上のアノード材料がなくなるまで、アノード層２０２は、空隙４０２を通って物理的に漏出し得る。したがって、アノード層２０２の一部はカソードサブ領域２０４間の１つ以上の間隙２０６内に留まることができるが、電解質層３０２の上にある、例えば電解質層３０２とアノード集電体３１０との間に、アノード層２０２の部分に空き空間４０８が生成される可能性がある。これにより、アノードリーク４０４は最終的に停止することができ、その結果として、カソードサブ領域２０４の化学反応４０６は停止することができる。   Referring to FIG. 4B, a cross-sectional view along line AA of FIG. 2 is shown of an electrochemical cell having defects in the electrolyte layer on the segmented cathode layer, according to one embodiment. As the anode leak 404 persists, the chemical reaction 406 across the cathode sub-region 204 continues and can be accompanied by the disappearance of the anode layer 202 on the cathode sub-region 204 as shown in this figure. That is, the anode layer 202 can physically leak through the void 402 until there is no anode material immediately above the void 402. Thus, a portion of the anode layer 202 can remain within one or more gaps 206 between the cathode subregions 204, but over the electrolyte layer 302, for example, between the electrolyte layer 302 and the anode current collector 310. In addition, there is a possibility that an empty space 408 is generated in the anode layer 202. Thereby, the anode leak 404 can be finally stopped, and as a result, the chemical reaction 406 in the cathode sub-region 204 can be stopped.

図５を参照すると、一実施形態に係る、無効化されたカソードサブ領域を有する電気化学セルの平面図が示されている。一実施形態では、アノード層２０２が空隙４０２を通ってカソードサブ領域２０４内に漏出した後、図５の斜線で示されるように、このカソードサブ領域２０４は無効化されてもよい。無効化されたカソードサブ領域５０２の周囲にある１つ以上の間隙２０６は、アノード材料の伝播を制限し、化学反応４０６が隣接するカソードサブ領域２０４に広がるのを阻止する。更に、空き空間４０８によって、本質的に、アノード集電体３１０と無効化されたカソードサブ領域５０２との間に開回路が生成される。したがって、カソードサブ領域２０４が本質的に並列に接続されているので、空き空間４０８は、正常なカソードサブ領域２０４が異常なカソードサブ領域５０２を通って放電する可能性を減少させる。即ち、空き空間４０８は、使用可能な電気化学セル２００の残りの部分から空隙４０２を切り離す。   Referring to FIG. 5, a top view of an electrochemical cell having a disabled cathode subregion according to one embodiment is shown. In one embodiment, after the anode layer 202 leaks through the air gap 402 into the cathode subregion 204, the cathode subregion 204 may be disabled, as shown by the hatched lines in FIG. One or more gaps 206 around the disabled cathode subregion 502 limit the propagation of anode material and prevent the chemical reaction 406 from spreading to the adjacent cathode subregion 204. Furthermore, the open space 408 essentially creates an open circuit between the anode current collector 310 and the disabled cathode subregion 502. Thus, since the cathode subregions 204 are essentially connected in parallel, the empty space 408 reduces the likelihood that a normal cathode subregion 204 will discharge through the abnormal cathode subregion 502. That is, the empty space 408 separates the air gap 402 from the remaining portion of the usable electrochemical cell 200.

図６を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、カソード層３０４は、単一の誘電体、例えば、不活性ガス等の気体により完全に充填される、若しくは真の１つ以上の間隙２０６によって分離された、別々のカソードサブ領域２０４を備える。例えば、アノード層２０２、電解質層３０２、カソード層３０４、バリアフィルム層３０６、及びカソード集電体３０８を含む実質的に平坦な薄層を備える電気化学セル２００を有して製造することができる。次に、アノード層２０２、電解質層３０２、及びカソード層３０４を通って１つ以上の間隙２０６をレーザスクライブするために、アブレーションレーザを用いることができる。あるいは、電気化学セル２００の製造中に、材料の堆積領域を制御するマスキング技術を用いて、アノード層２０２、電解質層３０２、カソード層３０４のうちの１つ以上に、１つ以上の間隙２０６を形成することができる。例えばレーザアブレーション処理を用いてバリアフィルム層５０６から薄層の材料もまた除去してもよく、その結果、隣接するカソードサブ領域２０４が間隙２０６を挟んで完全に分離される。その結果、１つ以上の間隙２０６によって分離されたいくつかのカソードサブ領域２０４を形成することができる。同様に、電解質層３０２及びアノード層２０２はそれぞれの中に、１つ以上の間隙２０６によって分離される対応するサブ領域が形成されてもよい。即ち、図３を参照して上述したように連続的な層構造を有するのではなく、アノード層２０２及び／又は電解質層３０２を、その中に形成されたいくつかのサブ領域を備える不連続層の構造を有するようにパターン化してもよい。不連続な層構造は、平面であってもよい。即ち、アノード層２０２及び／又は電解質層３０２のサブ領域は本質的に同一平面とすることができ、各層のいくつかのサブ領域の側壁は、１つ以上の間隙２０６を挟んで互いに対向し、いくつかのサブ領域のそれぞれの上向きの面は、共通の横方向平面内に位置する。したがって、電気化学セル２００は、１つ以上の間隙２０６によって互いに物理的に分離された、いくつかのセルサブ領域６０２を備えることができる。より具体的には、各セルサブ領域６０２は、カソード、電解質、及びアノードのサブ領域の積層体を備えることができる。更に、アノード集電体３１０を、セルサブ領域６０２のそれぞれ及び全てを電気的に接続して単一のセルを形成するように、アノードサブ領域の上に配置してもよい。一実施形態では、アノード集電体３１０は、連続的な層構造、例えば単一のシート又はフィルム構造を有する。したがって、アノードサブ領域は、アノード集電体３１０の連続的な層構造を介して、互いに電気的に接続することができる。一実施形態では、セルサブ領域６０２の投影された表面区域の合計は、電気化学セルの外周２０８内の電気化学セル２００の全投影された表面区域の少なくとも８０％であってもよい。即ち、パターン化されたカソード利用率は、少なくとも８０％であってもよい。   Referring to FIG. 6, a side view of an electrochemical cell having a fragmented cathode layer according to one embodiment is shown. In one embodiment, the cathode layer 304 is a separate cathode sub-region that is completely filled with a single dielectric, eg, a gas such as an inert gas, or separated by a true one or more gaps 206. 204. For example, it can be fabricated with an electrochemical cell 200 comprising a substantially flat thin layer including an anode layer 202, an electrolyte layer 302, a cathode layer 304, a barrier film layer 306, and a cathode current collector 308. An ablation laser can then be used to laser scribe one or more gaps 206 through the anode layer 202, electrolyte layer 302, and cathode layer 304. Alternatively, one or more gaps 206 may be formed in one or more of anode layer 202, electrolyte layer 302, and cathode layer 304 using masking techniques that control the deposition area of the material during fabrication of electrochemical cell 200. Can be formed. A thin layer of material may also be removed from the barrier film layer 506, for example using a laser ablation process, so that adjacent cathode sub-regions 204 are completely separated across the gap 206. As a result, several cathode sub-regions 204 separated by one or more gaps 206 can be formed. Similarly, each of electrolyte layer 302 and anode layer 202 may have corresponding subregions separated by one or more gaps 206. That is, rather than having a continuous layer structure as described above with reference to FIG. 3, the anode layer 202 and / or the electrolyte layer 302 is a discontinuous layer comprising several subregions formed therein. It may be patterned so as to have the following structure. The discontinuous layer structure may be planar. That is, the sub-regions of the anode layer 202 and / or the electrolyte layer 302 can be essentially coplanar, and the sidewalls of several sub-regions of each layer face each other with one or more gaps 206, The upward face of each of the several sub-regions lies in a common lateral plane. Thus, the electrochemical cell 200 can comprise several cell sub-regions 602 that are physically separated from each other by one or more gaps 206. More specifically, each cell sub-region 602 can comprise a stack of cathode, electrolyte, and anode sub-regions. Further, the anode current collector 310 may be disposed on the anode subregion so that each and all of the cell subregions 602 are electrically connected to form a single cell. In one embodiment, the anode current collector 310 has a continuous layer structure, such as a single sheet or film structure. Thus, the anode sub-regions can be electrically connected to each other via the continuous layer structure of the anode current collector 310. In one embodiment, the sum of the projected surface areas of the cell sub-region 602 may be at least 80% of the total projected surface area of the electrochemical cell 200 within the outer periphery 208 of the electrochemical cell. That is, the patterned cathode utilization may be at least 80%.

製造中又は使用中に、セルサブ領域６０２内の電解質層３０２で空隙４０２が発生することがある。かかる場合、不良セルサブ領域６０２内のアノード層２０２は、空隙４０２を介して、不良セルサブ領域６０２内の基礎をなすカソードサブ領域２０４に漏出することがある。上述したように、空き空間４０８が空隙４０２とアノード集電体３１０との間に形成される程度に空隙４０２の上のアノード層２０２が減少するまで、アノードリーク４０４は持続し得る。空き空間４０８は、電気的な開回路を提供し、不良セルサブ領域６０２を介して周囲のセルサブ領域６０２が放電する可能性を低減させる可能性がある。更に、各セルサブ領域６０２のカソードサブ領域２０４が１つ以上の間隙２０６によって物理的に分離されるので、漏出するアノード層２０２の材料は不良セルサブ領域６０２内で阻止され、他のセルサブ領域６０２に伝播されないようにすることができる。これにより、アノードリーク４０４の負の効果は、単一のセルサブ領域６０２の無効化に限定することができる。   During manufacturing or use, voids 402 may occur in the electrolyte layer 302 in the cell sub-region 602. In such a case, the anode layer 202 in the defective cell sub-region 602 may leak into the cathode sub-region 204 underlying the defective cell sub-region 602 through the gap 402. As described above, the anode leak 404 can continue until the anode layer 202 above the gap 402 is reduced to the extent that an empty space 408 is formed between the gap 402 and the anode current collector 310. The empty space 408 provides an electrical open circuit and may reduce the possibility of the surrounding cell sub-region 602 being discharged through the defective cell sub-region 602. In addition, since the cathode subregion 204 of each cell subregion 602 is physically separated by one or more gaps 206, leaking anode layer 202 material is blocked within the defective cell subregion 602, and into other cell subregions 602. It can be prevented from being propagated. Thereby, the negative effect of anode leak 404 can be limited to invalidation of a single cell sub-region 602.

図７を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層及びアノード集電タブを有する電気化学セルの平面図が示されている。一実施形態では、電気化学セル２００のアノード層２０２はアノード集電体であってもよい。例えば、アノード層２０２は、電気化学セル２００の面全体にわたって集電体として作用するのに十分な導電率を有する、金属リチウムとすることができる。これにより、アノード層２０２の上の別個のアノード集電体３１０を不要とすることができる。したがって、アノード層２０２は、電気化学セル２００の電気化学的活性部分を外部製品回路と電気的に接続するのに使用することができる。例えば、アノード層２０２は、別個のアノード集電タブ７０２を介して、外部の製品回路と導電的に接続されるリチウムであってもよい。アノード層２０２は、電気化学セル２００の電気化学的活性領域とアノード集電タブ７０２との間に電気を通すことができる。アノード集電タブ７０２は、例えば、電気化学セル２００の角部に位置してもよい。アノード集電タブ７０２がアノード層２０２に連結される領域は、カソードサブ領域２０４を有することができず、したがって、カソードサブ領域２０４を含む電気化学セル２００の部分よりも薄くてもよい。より詳細には、一実施形態で、薄い角部は、カソード層３０４の形成の際に、角部をレーザアブレーション又はシャドウマスクすることにより、形成することができる。続いて、電解質層３０２及びアノード層２０２を、薄い角部上に堆積させることができる。その結果、アノード集電タブ７０２は、電気化学セル２００の全体の高さを増すことなく、カソードサブ領域２０４の厚さに等しい厚さを有する導電性の金属箔であってもよい。したがって、アノード集電体３１０をアノード層２０２全体にわたって配置するのではなく、電気化学セル２００の角部に、アノード集電タブ７０２を組み込むことにより、より高い総エネルギー密度を有する完全にパッケージされた電気化学セル２００、及び／又は電気化学セル２００を導入した電気化学デバイス、を結果として得ることができる。更に、アノード層２０２と電気的に接続されたアノード集電タブ７０２は、外部回路への電気的接続の信頼性を向上させるために、より厚く、より丈夫にすることができる。   Referring to FIG. 7, a top view of an electrochemical cell having a fragmented cathode layer and an anode current collecting tab is shown, according to one embodiment. In one embodiment, the anode layer 202 of the electrochemical cell 200 may be an anode current collector. For example, the anode layer 202 can be metallic lithium having sufficient conductivity to act as a current collector over the entire surface of the electrochemical cell 200. This can eliminate the need for a separate anode current collector 310 on the anode layer 202. Thus, the anode layer 202 can be used to electrically connect the electrochemically active portion of the electrochemical cell 200 with an external product circuit. For example, the anode layer 202 may be lithium that is conductively connected to an external product circuit via a separate anode current collection tab 702. The anode layer 202 can conduct electricity between the electrochemically active region of the electrochemical cell 200 and the anode current collection tab 702. The anode current collection tab 702 may be located at a corner of the electrochemical cell 200, for example. The region where the anode current collection tab 702 is connected to the anode layer 202 cannot have the cathode subregion 204 and thus may be thinner than the portion of the electrochemical cell 200 that includes the cathode subregion 204. More specifically, in one embodiment, thin corners can be formed by laser ablation or shadow masking the corners during the formation of the cathode layer 304. Subsequently, an electrolyte layer 302 and an anode layer 202 can be deposited on the thin corners. As a result, the anode current collection tab 702 may be a conductive metal foil having a thickness equal to the thickness of the cathode subregion 204 without increasing the overall height of the electrochemical cell 200. Thus, rather than disposing the anode current collector 310 throughout the anode layer 202, it was fully packaged with a higher total energy density by incorporating anode current collection tabs 702 at the corners of the electrochemical cell 200. The electrochemical cell 200 and / or an electrochemical device incorporating the electrochemical cell 200 can be obtained as a result. Further, the anode current collection tab 702 that is electrically connected to the anode layer 202 can be thicker and more robust to improve the reliability of the electrical connection to external circuitry.

図８Ａを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学デバイスの断面図が示されている。一実施形態では、電気化学デバイス８００は、電気化学セルの対応するアノード層２０２が隣接するか互いに接触するように、第２の電気化学セル８０４上に積層された第１の電気化学セル８０２を備える。対応するアノード層２０２は、カソードサブ領域２０４を覆い、隣接するカソードサブ領域２０４間の１つ以上の間隙２０６内に延出する連続的な層構造、例えば、連続シート又はフィルム構造を有してもよい。更に、上述したように、角部領域などの１つ以上の積層された電気化学セルの領域は、カソードサブ領域を含んでいなくてもよい。これにより、対応するアノード層２０２間のタブ挿入空間８０６は、アノード集電タブ７０２の挿入を許容することができる。アノード層２０２の連続的な層構造は、タブの挿入空間８０６を、第１電気化学セル８０２と第２電気化学セル８０４の各カソード集電体３０８から分離することができる。したがって、アノード集電タブ７０２は、アノード層２０２間に挟まれ、カソード集電体３０８と接触することなく、タブ挿入空間８０６内でアノード層２０２に電気的に接続することができる。アノード集電タブ７０２は、例えば、導電性の感圧接着剤を使用してアノード層２０２に接着されてもよい。上述したように、空隙４０２などの欠陥が電解質層３０２で起こる恐れがあり、そのことでアノード層２０２材料のカソードサブ領域２０４へのアノードリーク４０４を許してしまう。   Referring to FIG. 8A, a cross-sectional view of an electrochemical device having defects in an electrolyte layer on a segmented cathode layer is shown according to one embodiment. In one embodiment, the electrochemical device 800 includes a first electrochemical cell 802 stacked on a second electrochemical cell 804 such that the corresponding anode layers 202 of the electrochemical cell are adjacent or in contact with each other. Prepare. The corresponding anode layer 202 has a continuous layer structure, eg, a continuous sheet or film structure, covering the cathode subregion 204 and extending into one or more gaps 206 between adjacent cathode subregions 204. Also good. Furthermore, as described above, the region of one or more stacked electrochemical cells, such as the corner region, may not include the cathode subregion. Accordingly, the tab insertion space 806 between the corresponding anode layers 202 can allow the anode current collection tab 702 to be inserted. The continuous layer structure of the anode layer 202 can separate the tab insertion space 806 from each cathode current collector 308 of the first electrochemical cell 802 and the second electrochemical cell 804. Accordingly, the anode current collecting tab 702 is sandwiched between the anode layers 202 and can be electrically connected to the anode layer 202 in the tab insertion space 806 without being in contact with the cathode current collector 308. The anode current collection tab 702 may be adhered to the anode layer 202 using, for example, a conductive pressure sensitive adhesive. As described above, defects such as voids 402 can occur in the electrolyte layer 302, which allows anode leakage 404 into the cathode subregion 204 of the anode layer 202 material.

図８Ｂを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学デバイスの断面図が示されている。一実施形態では、対応するアノード層２０２が空隙４０２に隣接して接触しているので、アノードリーク４０４は、第１電気化学セル８０２と第２電気化学セル８０４の両者のアノード層２０２の材料が空隙４０２を通って、カソードサブ領域２０４に伝播することを含む可能性がある。電気化学セル２００に関連して上述したように、カソードサブ領域２０４内での化学反応４０６は、空き空間４０８が空隙４０２上に形成されるまで、持続し得る。即ち、電気化学セルの電解質層間のアノード材料が消耗した後、アノードリークは停止し得る。これにより、細分化されたカソード層を備えた積層電気化学セルを有する電気化学デバイス８００は、電気化学デバイス８００の他の部分から物理的及び電気的に隔離される個々のカソードサブ領域２０４への欠陥を限定することができる。このように、欠陥領域がデバイスの性能（例えば、容量、エネルギー、電力、抵抗、サイクル寿命、及び収率）にほとんど影響を与えず、電気化学デバイス８００の全体的な性能を向上させることができる。   Referring to FIG. 8B, a cross-sectional view of an electrochemical device having defects in an electrolyte layer on a segmented cathode layer is shown according to one embodiment. In one embodiment, the anode leak 404 is caused by the material of the anode layer 202 of both the first electrochemical cell 802 and the second electrochemical cell 804 because the corresponding anode layer 202 is in contact adjacent to the gap 402. Propagating through the air gap 402 to the cathode sub-region 204 may be included. As described above in connection with electrochemical cell 200, chemical reaction 406 in cathode subregion 204 can continue until empty space 408 is formed on void 402. That is, the anode leakage can stop after the anode material between the electrolyte layers of the electrochemical cell is depleted. Thereby, an electrochemical device 800 having a stacked electrochemical cell with a fragmented cathode layer is transferred to individual cathode sub-regions 204 that are physically and electrically isolated from the rest of the electrochemical device 800. Defects can be limited. In this way, the defect region has little impact on device performance (eg, capacity, energy, power, resistance, cycle life, and yield) and can improve the overall performance of the electrochemical device 800. .

図９を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層間に中間層を有する電気化学デバイスの断面図が示されている。一実施形態では、空隙４０２が発生した場合のアノード層２０２の材料の伝播は、電気化学デバイス８００において積層された電気化学セルの対応するアノード層２０２間に中間層９０２を組み込むことによって、更に限定することができる。例えば、中間層９０２は、電気化学デバイス８００のカソードサブ領域２０４を電気的に接続するアノード層２０２間に導電性のアノード集電体を含むことができるが、第２電気化学セル８０４のアノード層２０２材料が、第１電気化学セル８０２の電解質層３０２の空隙４０２を通って伝播する可能性を低下させる。したがって、空隙４０２が形成されると第１の電気化学セル８０２のアノード層２０２の材料は、空隙４０２を通って伝播し、中間層９０２と空隙４０２との間に空き空間が形成されるまでカソードサブ領域２０４に化学反応を引き起こし、それによって、開回路が生成され、電気化学デバイス８００の残りの部分からカソードサブ領域２０４を分離してもよい。図９にはアノード集電タブ７０２が示されているが、一実施形態では、中間層９０２が、外部製品の回路との接続のために、電気化学デバイス８００から外側に離れるように延在するアノード集電体３１０とすることができる。したがって、アノード集電タブ７０２は、中間層９０２と重複する実施形態においては省略することができる。   Referring to FIG. 9, a cross-sectional view of an electrochemical device having an interlayer between segmented cathode layers is shown, according to one embodiment. In one embodiment, the propagation of anode layer 202 material when voids 402 occur is further limited by incorporating an intermediate layer 902 between corresponding anode layers 202 of the electrochemical cells stacked in electrochemical device 800. can do. For example, the intermediate layer 902 can include a conductive anode current collector between the anode layers 202 that electrically connect the cathode subregion 204 of the electrochemical device 800, but the anode layer of the second electrochemical cell 804. 202 reduces the likelihood that the material will propagate through the voids 402 in the electrolyte layer 302 of the first electrochemical cell 802. Thus, when the gap 402 is formed, the material of the anode layer 202 of the first electrochemical cell 802 propagates through the gap 402 until the empty space is formed between the intermediate layer 902 and the gap 402. A chemical reaction may be caused in subregion 204, thereby creating an open circuit and separating cathode subregion 204 from the rest of electrochemical device 800. Although the anode current collection tab 702 is shown in FIG. 9, in one embodiment, the intermediate layer 902 extends away from the electrochemical device 800 for connection to circuitry of an external product. The anode current collector 310 can be used. Accordingly, the anode current collection tab 702 can be omitted in embodiments that overlap with the intermediate layer 902.

別の実施形態では、中間層９０２は、積層された電気化学セルのアノード層２０２間に絶縁層を備えることができる。例えば、絶縁層９０２は、リチウムに対して不活性である絶縁材料の薄膜であってもよい。かかる材料の例としては、アクリルなどの感圧接着剤、並びにポリイミドなどの他の絶縁材料が挙げられる。絶縁層は、電気的に絶縁性を有するか、又はイオン的に絶縁性を有するか、のうちの一方又は両方であってもよく、これらの特性のいずれかを有する材料から作製してもよい。   In another embodiment, the intermediate layer 902 can comprise an insulating layer between the anode layers 202 of the stacked electrochemical cells. For example, the insulating layer 902 may be a thin film of an insulating material that is inert to lithium. Examples of such materials include pressure sensitive adhesives such as acrylic, and other insulating materials such as polyimide. The insulating layer may be one or both of electrically insulating or ionic insulating, and may be made of a material having any of these characteristics. .

図１０を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの平面図が示されている。電気化学セル２００は、カソード層の上にアノード層２０２を備えることができる。更に、アノード層２０２を、カソード層及び電解質層の上で、上記電気化学セル２００にわたって離間した１つ以上のアノードサブ領域１００２に細分化することができる。より具体的には、アノードサブ領域１００２を、１つ以上の間隙２０６によって互いに分離してもよい。例えば、１つ以上の間隙２０６が各アノードサブ領域１００２を取り囲んで、アノードサブ領域１００２を隣接するアノードサブ領域１００２から物理的に分離することができる。   Referring to FIG. 10, a top view of an electrochemical cell having a fragmented anode layer is shown according to one embodiment. The electrochemical cell 200 can include an anode layer 202 over the cathode layer. Further, the anode layer 202 can be subdivided into one or more anode sub-regions 1002 spaced across the electrochemical cell 200 above the cathode layer and electrolyte layer. More specifically, the anode subregions 1002 may be separated from one another by one or more gaps 206. For example, one or more gaps 206 can surround each anode sub-region 1002 to physically separate the anode sub-region 1002 from the adjacent anode sub-region 1002.

一実施形態では、アノード層２０２は格子パターンを含むことができ、各アノードサブ領域１００２は矩形の表面区域を備え、電気化学セル２００を横断する１つ以上の直線状の間隙２０６により、隣接するアノードサブ領域１００２から分離されている。アノード層の材料が電解質層上に堆積された後、レーザスクライブを使用してアノード層の材料を除去し、アノードサブ領域１００２間に１つ以上の間隙２０６を形成することができる。あるいは、シャドウマスクを使用して、未充填の間隙２０６となるマスク領域によって分離されたアノードサブ領域１００２を形成することができる。しかし、他のアノード層２０２のパターンを使用することもできる。例えば、１つ以上の間隙２０６を任意の形状にレーザスクライビングして、例えば、多角形、円錐形、楕円形等であるアノードサブ領域１００２を形成することができる。アノードサブ領域１００２の残りのアノード材料は、パターン化されたアノード層２０２の島を本質的に形成する。アノードサブ領域１００２は、アノード層２０２の他のアノードサブ領域１００２と比較して、同じ又は異なる形状を有してもよい。   In one embodiment, the anode layer 202 can include a grid pattern, and each anode sub-region 1002 comprises a rectangular surface area and is adjacent by one or more linear gaps 206 that traverse the electrochemical cell 200. Separated from the anode sub-region 1002. After the anode layer material is deposited on the electrolyte layer, laser scribing may be used to remove the anode layer material to form one or more gaps 206 between the anode sub-regions 1002. Alternatively, a shadow mask can be used to form anode sub-regions 1002 separated by a mask region that becomes the unfilled gap 206. However, other anode layer 202 patterns may be used. For example, one or more gaps 206 can be laser scribed into any shape to form an anode sub-region 1002 that is, for example, polygonal, conical, elliptical, etc. The remaining anode material in the anode subregion 1002 essentially forms islands of the patterned anode layer 202. The anode subregion 1002 may have the same or different shape as compared to other anode subregions 1002 of the anode layer 202.

アノードサブ領域１００２の形状にかかわらず、上から見た時に、アノード層２０２は電気化学セルの外周２０８内に全投影された表面区域を含むことができ、これは、各アノードサブ領域１００２の投影された表面区域の合計と、アノードサブ領域１００２間の１つ以上の間隙２０６の投影された表面区域の合計とを含む。例えば、各アノードサブ領域１００２は、辺の長さが等しい正方形の形状の投影された表面区域を有してもよく、各間隙２０６は等しい幅を有してもよい。したがって、電気化学セルの外周２０８内のアノード層２０２の全投影された表面区域は、正方形のアノードサブ領域の投影された表面区域、並びに、均一な間隙２０６内の投影された表面区域、の全てを含むことができる。一実施形態では、パターン化されたアノード領域の利用率、即ち、個々のアノードサブ領域の面積の合計のアノード層２０２の全表面の面積に対する比率は、３０％より小さくあってもよい。例えば、パターン化されたアノード領域の利用率は２５％未満であってもよい。一実施形態では、格子パターンは、一つ以上の１０マイクロメートルの間隙２０６によって分離された１０マイクロメートルの辺を有する正方形のアノードサブ領域１００２を有する。したがって、パターン化されたアノード領域の利用率は、２５％であると予想することができる。１つ以上の間隙２０６を広げるかアノードサブ領域１００２を縮小することによって、パターン化されたアノード領域の利用率を低下させることができる。   Regardless of the shape of the anode sub-region 1002, when viewed from above, the anode layer 202 can include a surface area that is fully projected within the outer periphery 208 of the electrochemical cell, which is the projection of each anode sub-region 1002. And the sum of the projected surface areas of one or more gaps 206 between the anode sub-regions 1002. For example, each anode sub-region 1002 may have a projected surface area of a square shape with equal side lengths and each gap 206 may have an equal width. Thus, the total projected surface area of the anode layer 202 within the outer periphery 208 of the electrochemical cell is the total of the projected surface area of the square anode sub-region as well as the projected surface area within the uniform gap 206. Can be included. In one embodiment, the utilization of the patterned anode region, i.e. the ratio of the area of the individual anode sub-regions to the total surface area of the anode layer 202 may be less than 30%. For example, the utilization of the patterned anode region may be less than 25%. In one embodiment, the grid pattern has square anode subregions 1002 having 10 micrometer sides separated by one or more 10 micrometer gaps 206. Therefore, the utilization of the patterned anode region can be expected to be 25%. By increasing one or more gaps 206 or reducing the anode sub-region 1002, the utilization of the patterned anode region can be reduced.

図１１を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図が示されている。一実施形態では、電気化学セル２００は、アノードサブ領域１００２と１つ以上の間隙２０６とを有するアノード層２０２と、カソード層３０４との間に、電解質層３０２を備え得る。上述したように、アノード層２０２内の１つ以上の間隙２０６は、リチウムなどのアノード材料を含むアノード層２０２部分の間の空間、即ち、アノードサブ領域１００２間の空間を画定することができる。間隙２０６は、例えば、レーザアブレーション処理を使用して、アノード材料と、任意選択的に電解質材料の薄層とを除去することによって、形成することができる。したがって、アノードサブ領域１００２は、介在する間隙２０６によって完全に分離することができる。一実施形態では、アノード層２０２のアノードサブ領域１００２間の間隙２０６は、単一の誘電体３１２、例えば、不活性ガス等の誘電体ガス、又は真空により、完全に充填される。更に、バリアフィルム層３０６は、カソード層３０４とカソード集電体３０８との間にあってもよい。一実施形態では、電気化学セル２００は、アノード層２０２と電気的に接触して配置された導電性アノード集電体３１０を含むことができる。アノード集電体３１０は、アノード層２０２のアノードサブ領域１００２の全てと機械的及び電気的接触を形成する金属箔を備えてもよい。一実施形態では、電気化学セル２００の種々の層は、パターン化されたカソード層３０４を有する電気化学セル２００について上述したものと同様の材料及び寸法を含んでもよい。   Referring to FIG. 11, a cross-sectional view of the electrochemical cell having a segmented anode layer according to one embodiment, taken along line CC in FIG. 10, is shown. In one embodiment, the electrochemical cell 200 can include an electrolyte layer 302 between an anode layer 202 having an anode sub-region 1002 and one or more gaps 206 and a cathode layer 304. As described above, one or more gaps 206 in the anode layer 202 can define a space between portions of the anode layer 202 that include an anode material such as lithium, ie, a space between the anode sub-regions 1002. The gap 206 can be formed, for example, by using a laser ablation process to remove the anode material and optionally a thin layer of electrolyte material. Accordingly, the anode sub-region 1002 can be completely separated by the intervening gap 206. In one embodiment, the gap 206 between the anode sub-regions 1002 of the anode layer 202 is completely filled with a single dielectric 312, for example, a dielectric gas such as an inert gas, or a vacuum. Further, the barrier film layer 306 may be between the cathode layer 304 and the cathode current collector 308. In one embodiment, the electrochemical cell 200 can include a conductive anode current collector 310 disposed in electrical contact with the anode layer 202. The anode current collector 310 may comprise a metal foil that makes mechanical and electrical contact with all of the anode subregions 1002 of the anode layer 202. In one embodiment, the various layers of electrochemical cell 200 may include materials and dimensions similar to those described above for electrochemical cell 200 with patterned cathode layer 304.

図１２を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下に電解質層の欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図が示されている。一実施形態では、電解質層３０２は空隙４０２などの欠陥を含み得る。上述したように、空隙４０２は、アノード層２０２とカソード層３０４との間の電気的リークの経路をもたらす可能性がある。しかし、電気化学セル２００にわたって均一な、即ち非パターン化されたアノード層２０２を有する電気化学セル２００と比較して、アノード層の全投影された表面区域のわずか一部を占めるアノードサブ領域１００２を有する電気化学セル２００がアノードサブ領域１００２と位置の揃った空隙４０２を有する可能性は低い。より具体的には、アノードサブ領域１００２の投影された表面区域の合計が、アノード層２０２の全投影された表面区域の２５％に過ぎない場合、空隙４０２が１つ以上の間隙２０６と位置が揃う可能性は、３倍高くなり得る。したがって、パターン化されたアノード層２０２の結果として、アノードサブ領域１００２とカソード層３０４との間の内部短絡による電池の故障の可能性は、パターン化されたアノード領域の利用率に比例して、減少する可能性がある。   Referring to FIG. 12, a cross-sectional view along line CC of FIG. 10 is shown of an electrochemical cell having electrolyte layer defects under a segmented anode layer, according to one embodiment. In one embodiment, the electrolyte layer 302 can include defects such as voids 402. As described above, the air gap 402 can provide a path for electrical leakage between the anode layer 202 and the cathode layer 304. However, compared to the electrochemical cell 200 having a uniform or non-patterned anode layer 202 over the electrochemical cell 200, the anode subregion 1002 occupies a small portion of the total projected surface area of the anode layer. It is unlikely that the electrochemical cell 200 that has the void 402 is aligned with the anode sub-region 1002. More specifically, if the total projected surface area of the anode sub-region 1002 is only 25% of the total projected surface area of the anode layer 202, the gap 402 is positioned with one or more gaps 206. The chance of alignment can be three times higher. Thus, as a result of the patterned anode layer 202, the possibility of battery failure due to an internal short between the anode sub-region 1002 and the cathode layer 304 is proportional to the utilization of the patterned anode region, May decrease.

図１３Ａを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下に電解質層の欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図が示されている。一実施形態では、空隙４０２は、アノードサブ領域１００２と基礎をなすカソード層３０４との間の電解質層３０２内にて発生することがある。したがって、空隙４０２は、アノード層２０２とカソード層３０４との間の電気的リークの経路をもたらす可能性がある。即ち、アノードリーク４０４は、アノード層の材料が、空隙４０２を通って、カソード層３０４に入り込む時に生じ得る。アノード材料がカソード材料と相互作用すると、化学反応４０６がカソード層３０４を通って伝播し、望ましくない化学生成物を生成する恐れがある。更に、隣接するアノードサブ領域１００２からの電子放出が、アノード集電体３１０を通って、空隙４０２に隣接するアノードサブ領域１００２に入り、次いで、空隙４０２を通過してカソード層３０４内に進む経路１３０２をたどり得る。したがって、空隙４０２は、全体の電気化学セル２００を放電させ得る、アノード層２０２の自己放電をもたらす恐れがある。   Referring to FIG. 13A, a cross-sectional view along line CC of FIG. 10 of an electrochemical cell having electrolyte layer defects under a segmented anode layer is shown, according to one embodiment. In one embodiment, the air gap 402 may occur in the electrolyte layer 302 between the anode subregion 1002 and the underlying cathode layer 304. Thus, the air gap 402 can provide a path for electrical leakage between the anode layer 202 and the cathode layer 304. That is, anode leak 404 can occur when anode layer material enters cathode layer 304 through void 402. When the anode material interacts with the cathode material, the chemical reaction 406 can propagate through the cathode layer 304 and produce undesirable chemical products. Further, the electron emission from the adjacent anode subregion 1002 passes through the anode current collector 310, enters the anode subregion 1002 adjacent to the gap 402, and then travels through the gap 402 into the cathode layer 304. 1302 can be followed. Thus, the voids 402 can result in self-discharge of the anode layer 202 that can discharge the entire electrochemical cell 200.

図１３Ｂを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下に電解質層の欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図が示されている。アノードリークが持続するにつれて、カソード層３０４内の化学反応は継続し、空隙４０２に隣接するアノードサブ領域１００２が併せて消滅することを伴うことがある。即ち、空隙４０２の上方のアノード材料がなくなるまで、アノード層材料が空隙４０２を通って物理的に漏出することができる。これにより、空き空間４０８が空隙４０２の上方に、例えば、電解質層３０２とアノード集電体３１０との間に、形成され得る。空き空間４０８によって、電解質層３０２とアノード集電体３１０との間に、電気開回路を生成することができる。これにより、アノードリークは最終的に停止することができ、カソード層３０４における化学反応及び電気リークが停止し得る。一実施形態では、アノードリークはカソード層３０４の劣化した領域１３０４を引き起こし得るが、カソード層３０４のより大きな正常な領域はアノードリークによって影響を受けない可能性がある。このように、パターン化されたアノード層によって、電気化学セル２００の性能全体に対する電解質層の欠陥の影響を緩和することができる。   Referring to FIG. 13B, a cross-sectional view along line CC of FIG. 10 is shown of an electrochemical cell having electrolyte layer defects under a segmented anode layer, according to one embodiment. As the anode leak persists, the chemical reaction in the cathode layer 304 continues and may involve the disappearance of the anode sub-region 1002 adjacent to the void 402 together. That is, the anode layer material can physically leak through the gap 402 until there is no anode material above the gap 402. Thereby, the empty space 408 can be formed above the gap 402, for example, between the electrolyte layer 302 and the anode current collector 310. The open space 408 can generate an electrical open circuit between the electrolyte layer 302 and the anode current collector 310. Thereby, the anode leakage can be finally stopped, and the chemical reaction and electrical leakage in the cathode layer 304 can be stopped. In one embodiment, the anode leak may cause a degraded region 1304 of the cathode layer 304, but a larger normal region of the cathode layer 304 may not be affected by the anode leak. Thus, the patterned anode layer can mitigate the effects of electrolyte layer defects on the overall performance of the electrochemical cell 200.

図１４を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層間にアノード集電体を有する電気化学デバイスの側面図が、示されている。一実施形態において、電気化学デバイス８００は、図１０について説明したように、パターン化されたアノード層を有するいくつかの電気化学セル２００から形成することができる。より具体的には、いくつかの電気化学セル２００は、互いに対向する対応するアノードサブ領域１００２を積層していてもよい。アノード層のアノードサブ領域１００２の一部は、アノード集電体３１０を挟んで互いに直接向き合っていてもよい、即ち、上方から見て（即ち、図面シートの平面に沿って垂直下向きに見た場合）重なり合うように見える可能性がある。アノード集電体３１０は、連続的な層構造、例えば、連続シート又はフィルム構造を有してもよい。したがって、対応する積層された電気化学セル２００のアノードサブ領域１００２は、アノード集電体３１０の連続的な層構造を介して電気的に接続することができる。即ち、電気化学デバイス８００の第１の電気化学セル２００のアノードサブ領域１００２は、アノード集電体３１０の連続的な層構造を介して互いに電気的に接続され、並びに電気化学デバイス８００の第２電気化学セル２００のアノードサブ領域１００２とも電気的に接続され得る。更に、連続的な層構造を有するアノード集電体３１０は、電気化学デバイス８００の積層された電気化学セル２００の対応するカソード層３０４間にあってもよく、これによって、電気化学セル２００を物理的に分離する。   Referring to FIG. 14, a side view of an electrochemical device having an anode current collector between fragmented anode layers is shown, according to one embodiment. In one embodiment, the electrochemical device 800 can be formed from several electrochemical cells 200 having a patterned anode layer, as described with respect to FIG. More specifically, some electrochemical cells 200 may have corresponding anode sub-regions 1002 stacked opposite each other. A portion of the anode sub-region 1002 of the anode layer may be directly facing each other with the anode current collector 310 interposed therebetween, that is, when viewed from above (that is, when viewed vertically downward along the plane of the drawing sheet) ) It may appear to overlap. The anode current collector 310 may have a continuous layer structure, for example, a continuous sheet or film structure. Accordingly, the anode sub-region 1002 of the corresponding stacked electrochemical cell 200 can be electrically connected through the continuous layer structure of the anode current collector 310. That is, the anode sub-region 1002 of the first electrochemical cell 200 of the electrochemical device 800 is electrically connected to each other through the continuous layer structure of the anode current collector 310, as well as the second of the electrochemical device 800. It can also be electrically connected to the anode sub-region 1002 of the electrochemical cell 200. Further, the anode current collector 310 having a continuous layer structure may be between the corresponding cathode layers 304 of the stacked electrochemical cells 200 of the electrochemical device 800, thereby physically separating the electrochemical cells 200. To separate.

一実施形態では、電気化学デバイス８００を形成する積層された電気化学セル２００のうちの１つ以上は、カソード層３０４と電気的に接続されたカソード集電体３０８を含むことができる。例えば、第１のカソード集電体３０８は、電気化学デバイス８００の第１電気化学セル２００のカソード層３０４に電気的に接続され、第２のカソード集電体３０８は、電気化学デバイス８００の第２の電気化学セル２００のカソード層３０４に電気的に接続されてもよい。カソード層３０４及びカソード集電体３０８は共に、連続的な層構造、例えば、連続シート又はフィルム構造を有することができる。   In one embodiment, one or more of the stacked electrochemical cells 200 forming the electrochemical device 800 can include a cathode current collector 308 that is electrically connected to the cathode layer 304. For example, the first cathode current collector 308 is electrically connected to the cathode layer 304 of the first electrochemical cell 200 of the electrochemical device 800, and the second cathode current collector 308 is the first cathode current collector 308 of the electrochemical device 800. It may be electrically connected to the cathode layer 304 of the second electrochemical cell 200. Both cathode layer 304 and cathode current collector 308 can have a continuous layer structure, for example, a continuous sheet or film structure.

一実施形態において、電気化学デバイス８００は、電解質層３０２のうちの一つに、アノードリーク４０４をもたらす空隙４０２を含む可能性があり、それによって、空隙４０２に隣接した対応するアノードサブ領域１００２の大きさが減少する。したがって、アノードサブ領域１００２は、最終的には、図１４に点線で示すように、（空隙４０２の下ではなく）空隙４０２から水平方向に離れて空間を充填するように収縮し、空隙４０２とアノード集電体３１０との間に空き空間が生じる。したがって、その基礎をなすカソード層３０４の劣化領域１３０４は、空隙４０２に隣接したアノードサブ領域１００２の大きさによって、制限され得る。このように、パターン化されたアノード層を有する電気化学デバイスによって、電解質の空隙がデバイス全体の性能に与える影響が限定され得る。   In one embodiment, the electrochemical device 800 can include a void 402 in one of the electrolyte layers 302 that results in an anode leak 404, thereby causing a corresponding anode sub-region 1002 adjacent to the void 402. The size decreases. Thus, the anode sub-region 1002 eventually shrinks to fill the space horizontally away from the gap 402 (rather than under the gap 402), as shown by the dotted lines in FIG. An empty space is generated between the anode current collector 310 and the anode current collector 310. Thus, the degradation region 1304 of the underlying cathode layer 304 can be limited by the size of the anode subregion 1002 adjacent to the gap 402. Thus, an electrochemical device having a patterned anode layer can limit the effect of electrolyte voids on the overall device performance.

図１５を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層の上に、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの平面図が示されている。一実施形態では、電気化学セル２００はいくつかのセルサブユニット１５００に細分化することができ、各セルサブユニットは、カソードサブ領域２０４の上に設けられた少なくとも２つのアノードサブ領域１００２を備えてもよい。即ち、アノード層２０２は、１つ以上のカソードサブ領域２０４に細分化されたカソード層３０４の上に、電気化学セル２００にわたって離間された１つ以上のアノードサブ領域１００２に、細分化することができる。例えば、図１５に示すように、各カソードサブ領域２０４は、４つのアノードサブ領域１００２を支持するための基体を提供することができるが、これは例示であり、これに限定されない。より具体的には、カソード層３０４は、少なくとも２つのカソードサブ領域２０４を含むようにパターン化してもよいし、２つ以上のアノードサブ領域１００２を、隠線で示されるカソードサブ領域２０４のうちの１つの上に設けてもよい。カソード層３０４及びアノード層２０２のそれぞれで、１つ以上の間隙が、それぞれパターン化された島を取り囲んでもよい。例えば、１つ以上の間隙１５０２Ａは、アノードサブ領域１００２を隣接するアノードサブ領域１００２から分離することができ、１つ以上の間隙１５０２Ｂは、カソードサブ領域６０２を隣接するカソードサブ領域６０２から分離することができる。したがって、間隙１５０２Ｂはまた、セルサブユニット１５００間に延在して、セルサブユニットを分離することができる。上述したように、間隙１５０２Ａ及び１５０２Ｂは、誘電体３１２、例えば誘電体ガスによって、少なくとも部分的に充填されてもよい。   Referring to FIG. 15, a plan view of an electrochemical cell having a segmented anode layer on a segmented cathode layer is shown according to one embodiment. In one embodiment, the electrochemical cell 200 can be subdivided into a number of cell subunits 1500, each cell subunit comprising at least two anode subregions 1002 provided above the cathode subregion 204. May be. That is, the anode layer 202 may be subdivided into one or more anode subregions 1002 spaced across the electrochemical cell 200 on top of the cathode layer 304 subdivided into one or more cathode subregions 204. it can. For example, as shown in FIG. 15, each cathode subregion 204 can provide a substrate for supporting four anode subregions 1002, but this is illustrative and not limiting. More specifically, the cathode layer 304 may be patterned to include at least two cathode sub-regions 204, and two or more anode sub-regions 1002 may be included in the cathode sub-region 204 indicated by hidden lines. You may provide on one of. In each of the cathode layer 304 and the anode layer 202, one or more gaps may each surround the patterned island. For example, one or more gaps 1502A can separate the anode sub-region 1002 from the adjacent anode sub-region 1002, and one or more gaps 1502B can separate the cathode sub-region 602 from the adjacent cathode sub-region 602. be able to. Thus, the gap 1502B can also extend between the cell subunits 1500 to separate the cell subunits. As described above, the gaps 1502A and 1502B may be at least partially filled with a dielectric 312 such as a dielectric gas.

図１６を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層の上に細分化されたアノード層を有する電気化学セルの、図１５のＤ−Ｄ線に沿った断面図が示されている。一実施形態では、電気化学セル２００は、アノードサブ領域１００２及び１つ以上の間隙１５０２Ａを有するアノード層２０２と、カソードサブ領域２０４及び１つ以上の間隙１５０２Ｂを有するカソード層３０４との間に、電解質層３０２を備えてもよい。上述のように、アノード層２０２中の１つ以上の間隙１５０２Ａは、アノードサブ領域１００２間の空間を画定することができる。アノードサブ領域１００２は、リチウムなどのアノード材料を含んでもよい。一実施形態では、１つ以上の間隙１５０２Ａは、単一の誘電体３１２、例えば、不活性ガス等の誘電体ガス、又は真空により完全に充填される。また、上述したように、カソード層３０４内の１つ以上の間隙１５０２Ｂは、カソードサブ領域２０４間の空間を画定する（及び更に、隣接するカソードサブ領域２０４上に配置されたアノードサブ領域１００２を分離する）ことができる。カソードサブ領域は、カソード材料を含んでもよい。一実施形態では、１つ以上の間隙１５０２Ｂは、単一の誘電体３１２、例えば、不活性ガス等の誘電体ガス、又は真空により完全に充填される。一実施形態では、電気化学セル２００は、アノードサブ領域１００２と電気的に接触して配置された導電性アノード集電体３１０を備えることができる。アノード集電体３１０は、電気化学セル２００内の全てのアノードサブ領域１００２と機械的及び電気的に接触する金属箔を備えてもよい。更に、電気化学セル２００は、カソードサブ領域２０４と電気的に接続された導電性カソード集電体３０８を備えてもよい。即ち、カソードサブ領域２０４は、共通の、又は共有の、カソード集電体３０８に電気的に接続することができる。電気化学セル２００のさまざまな層は、上述したものと同様の材料及び寸法を備えてもよい。   Referring to FIG. 16, a cross-sectional view along the line DD of FIG. 15 is shown of an electrochemical cell having a segmented anode layer on a segmented cathode layer, according to one embodiment. Yes. In one embodiment, the electrochemical cell 200 includes an anode subregion 1002 and an anode layer 202 having one or more gaps 1502A and a cathode subregion 204 and a cathode layer 304 having one or more gaps 1502B. An electrolyte layer 302 may be provided. As described above, one or more gaps 1502A in the anode layer 202 can define a space between the anode sub-regions 1002. The anode subregion 1002 may include an anode material such as lithium. In one embodiment, one or more gaps 1502A are completely filled with a single dielectric 312, eg, a dielectric gas such as an inert gas, or a vacuum. Also, as described above, the one or more gaps 1502B in the cathode layer 304 define a space between the cathode subregions 204 (and further, the anode subregions 1002 disposed on adjacent cathode subregions 204 Can be separated). The cathode subregion may include a cathode material. In one embodiment, one or more gaps 1502B are completely filled with a single dielectric 312, eg, a dielectric gas such as an inert gas, or a vacuum. In one embodiment, the electrochemical cell 200 can include a conductive anode current collector 310 disposed in electrical contact with the anode sub-region 1002. The anode current collector 310 may comprise a metal foil that is in mechanical and electrical contact with all anode sub-regions 1002 in the electrochemical cell 200. Further, the electrochemical cell 200 may include a conductive cathode current collector 308 that is electrically connected to the cathode subregion 204. That is, the cathode subregion 204 can be electrically connected to a common or shared cathode current collector 308. The various layers of electrochemical cell 200 may comprise materials and dimensions similar to those described above.

一実施形態では、アノード層２０２とカソード層３０４は、上述のように、それぞれ格子パターンを備えてもよい。一実施形態では、アノード層２０２、カソード層３０４、及び電解質層３０２は、例えば、カソード集電体３１０上に均一な層で形成することができる。次いで、これらの層を選択的にレーザスクライビングして、カソードサブ領域２０４を分離する（及び、隣接するカソードサブ領域２０４の上に配置されたアノードサブ領域１００２をも分離する）１つ以上の間隙１５０２Ｂと、カソードサブ領域２０４のうちの１つ以上の上にあるアノードサブ領域１００２を分離する１つ以上の間隙１５０２Ａとを、生成することができる。より具体的には、レーザスクライビングにより材料を除去することによって、カソードの島のうちの１つの上に、１組のアノードの島を有する１組のカソードの島を本質的に生成することができる。シャドウマスクを含む他の方法を使用して、図１６に示される構造を形成することができる。   In one embodiment, the anode layer 202 and the cathode layer 304 may each comprise a lattice pattern, as described above. In one embodiment, the anode layer 202, the cathode layer 304, and the electrolyte layer 302 can be formed on the cathode current collector 310 in a uniform layer, for example. These layers are then selectively laser scribed to separate the cathode subregion 204 (and also to separate the anode subregion 1002 disposed over the adjacent cathode subregion 204). 1502B and one or more gaps 1502A separating the anode sub-region 1002 over one or more of the cathode sub-regions 204 can be created. More specifically, removing a material by laser scribing can essentially produce a set of cathode islands having a set of anode islands on one of the cathode islands. . Other methods, including shadow masks, can be used to form the structure shown in FIG.

図１７を参照すると、一実施形態に係る、カソード層をアノードリークから分離する方法を示すフローチャートが示されている。動作１７０２では、固体電池等の、電気化学セル２００の製造中、又は電気化学デバイス８００の組み立て中に、電解質層３０２中の空隙４０２を検出することができる。空隙４０２の検出は、電解質層３０２上にアノード層２０２を堆積する前後を含む製造工程中の種々の時点で生じ得る。動作１７０４では、一度空隙４０２が検出されると、完成した電気化学セル２００のカソード層３０４が、電解質層３０２にわたってアノード層２０２から分離されることを確実にするために、種々の操作を採用され得る。例えば、空隙４０２を充填する、又はアノード層材料を空隙４０２の上から除去して、アノードリーク４０４の可能性を減少させてもよい。空隙４０２を検出してカソード層３０４を分離する方法の実施形態について、以下に更に説明する。   Referring to FIG. 17, a flowchart illustrating a method for separating a cathode layer from anode leakage according to one embodiment is shown. In operation 1702, voids 402 in the electrolyte layer 302 may be detected during manufacture of the electrochemical cell 200, such as a solid state battery, or during assembly of the electrochemical device 800. Detection of voids 402 can occur at various times during the manufacturing process, including before and after depositing anode layer 202 on electrolyte layer 302. In operation 1704, various operations can be employed to ensure that once the void 402 is detected, the cathode layer 304 of the completed electrochemical cell 200 is separated from the anode layer 202 across the electrolyte layer 302. obtain. For example, the void 402 may be filled or anode layer material may be removed from above the void 402 to reduce the likelihood of anode leakage 404. An embodiment of a method for detecting the air gap 402 and separating the cathode layer 304 is further described below.

図１８を参照すると、一実施形態に係る、欠陥検出の動作中の電気化学セルの側面図が示されている。動作１７０２での空隙４０２の検出として、材料の空隙を発見するために知られている、光学的、電気的、熱的、及びその他の試験法によって実行される検出を挙げることができる。例えば、電気化学セル２００を顕微鏡下で観察することで、空隙４０２を検出してもよい。一実施形態では、アノード層材料が空隙４０２内に入り込むにつれて、電解質層３０２の空隙４０２によって、アノード層２０２のアノードサブ領域１００２にくぼみ１８０２が生じる。くぼみ１８０２は、変色、又はアノードサブ領域１００２の上面上にある陥没穴などの欠陥のあるトポロジーのように見えることがある。このように、空隙４０２は光学的な方法によって識別することができる。   Referring to FIG. 18, a side view of an electrochemical cell in operation for defect detection is shown according to one embodiment. Detection of void 402 at operation 1702 may include detection performed by optical, electrical, thermal, and other test methods known to find material voids. For example, the void 402 may be detected by observing the electrochemical cell 200 under a microscope. In one embodiment, the voids 402 in the electrolyte layer 302 cause a depression 1802 in the anode subregion 1002 of the anode layer 202 as the anode layer material enters the voids 402. The indentation 1802 may look like a discolored or defective topology, such as a recessed hole on the top surface of the anode sub-region 1002. Thus, the air gap 402 can be identified by an optical method.

一実施形態では、空隙４０２は電気的な方法で検出することができる。例えば、アノード層２０２は、電気化学セル２００の上面上に、いくつかのアノードのサブ領域１００２を備えることができる。アノードサブ領域１００２の下にある電解質層３０２の完全性に依存して、アノードサブ領域１００２の電圧が変化し得る。例えば、電圧プローブを図１８に示す右端のアノードサブ領域１００２上に配置し、第１の電圧測定値を測定し、中央のアノードサブ領域１００２を探って第２の電圧測定値を測定することができる。一実施形態では、空隙４０２が中央のアノードサブ領域１００２とカソード層３０４との間の電気的短絡を生じさせ得ることを考慮すると、第１の電圧測定値は第２の電圧測定値よりも著しく高くなり得る。したがって、パターン化されたアノード層の電圧測定値によって、どのアノードサブ領域１００２が空隙４０２に隣接しているのかを推定することができる。このようにして、歩留りを向上させ、電池性能に対する欠陥の影響を軽減することに加えて、パターン化アノード層２０２を有する電気化学セル２００はまた、製造中の欠陥の識別を容易にすることで、これらに対して製品の包装前に対処することが可能となる。これによって、収率及び製品の性能を更に高めることができる。   In one embodiment, the air gap 402 can be detected in an electrical manner. For example, the anode layer 202 may comprise several anode sub-regions 1002 on the top surface of the electrochemical cell 200. Depending on the integrity of the electrolyte layer 302 underlying the anode subregion 1002, the voltage of the anode subregion 1002 can vary. For example, a voltage probe may be placed on the rightmost anode sub-region 1002 shown in FIG. 18 to measure the first voltage measurement and to probe the center anode sub-region 1002 to measure the second voltage measurement. it can. In one embodiment, the first voltage measurement is significantly greater than the second voltage measurement, considering that the air gap 402 can cause an electrical short between the central anode subregion 1002 and the cathode layer 304. Can be expensive. Thus, it can be estimated which anode sub-region 1002 is adjacent to the gap 402 by means of the patterned anode layer voltage measurements. In this way, in addition to improving yield and reducing the impact of defects on battery performance, the electrochemical cell 200 with the patterned anode layer 202 also facilitates identification of defects during manufacture. These can be dealt with before packaging the product. This can further increase yield and product performance.

空隙４０２を検出する追加の方法を使用してもよい。例えば、検出の電気的方法としては、電気化学セル２００にわたって電流又は抵抗を測定することで空隙４０２の位置を推測することもまた、含まれ得る。熱的な検出方法としては、電流を印加しながら電気化学セル２００の表面温度を監視することで、局部的なホットスポットの識別を通して空隙４０２の位置を推測することが挙げられる。他の方法としては、材料内のピンホール、即ち、電解質層３０２中の空隙４０２を検出するために使用することができる、電磁波の偏向、吸収、反射、ラマン散乱等が挙げられる。空隙４０２が検出された製造の段階に応じて、空隙４０２の下のカソード層３０４を分離することにより、空隙４０２の影響を緩和するためのさまざまな方法が使用できる。特に、アノードリーク４０４が電気化学セルの機能に及ぼすであろう影響を軽減するために、最終的な電気化学セル２００の組み立てにおいて、空隙４０２の下のカソード層３０４がアノード層２０２と電気的に連通しないか、又は周囲のカソード層３０４領域から分離されるか、のいずれかであることを確実にするために、修正がなされ得る。   Additional methods for detecting the air gap 402 may be used. For example, the electrical method of detection can also include inferring the location of the air gap 402 by measuring current or resistance across the electrochemical cell 200. As a thermal detection method, it is possible to estimate the position of the air gap 402 through local hot spot identification by monitoring the surface temperature of the electrochemical cell 200 while applying an electric current. Other methods include electromagnetic wave deflection, absorption, reflection, Raman scattering, etc. that can be used to detect pinholes in the material, ie, voids 402 in the electrolyte layer 302. Depending on the stage of manufacture in which the air gap 402 is detected, various methods for mitigating the effects of the air gap 402 can be used by separating the cathode layer 304 under the air gap 402. In particular, the cathode layer 304 under the gap 402 is electrically connected to the anode layer 202 in the final assembly of the electrochemical cell 200 to mitigate the effect that the anode leak 404 will have on the function of the electrochemical cell. Modifications can be made to ensure that they are either not in communication or separated from the surrounding cathode layer 304 region.

図１９を参照すると、一実施形態に係る、電解質層に欠陥を有する前駆セルの側面図が示されている。前駆セル１９００は、電解質層３０２、カソード層３０４、バリアフィルム層３０６、及びカソード集電体３０８を備えてもよい。このように、一実施形態では、前駆セル１９００は、電解質層３０２上に、アノード層２０２を堆積する前の製造状態を表している。この段階で、空隙４０２は、上述したいずれかの方法又は他の検出方法を用いて、電解質層３０２内にて検出され得る。したがって、アノード層２０２が電解質層３０２上に堆積された後に空隙４０２を介するアノードリーク４０４の可能性を減少させる修復方法を採用してもよい。   Referring to FIG. 19, a side view of a precursor cell having defects in the electrolyte layer is shown according to one embodiment. The precursor cell 1900 may include an electrolyte layer 302, a cathode layer 304, a barrier film layer 306, and a cathode current collector 308. Thus, in one embodiment, precursor cell 1900 represents the manufacturing state prior to depositing anode layer 202 on electrolyte layer 302. At this stage, the air gap 402 can be detected in the electrolyte layer 302 using any of the methods described above or other detection methods. Accordingly, a repair method may be employed that reduces the likelihood of anode leakage 404 via the gap 402 after the anode layer 202 is deposited on the electrolyte layer 302.

図２０を参照すると、一実施形態に係る、埋め戻された電解質層を有する電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、前駆セル１９００で検出された空隙４０２は、充填剤２００２で充填することができる。例えば、空隙４０２を切除、穴あけ、研磨などすることで、電解質層３０２に貫通穴２００４を形成してもよい。穴２００４によって、電解質層３０２中の空隙は広がり、充填剤の挿入をより容易にすることができる。更に、穴２００４をカソード層３０４の上面で停止するように制御することはできるが、一実施形態では、穴２００４はカソード層３０４内に延出してもよい。穴２００４を形成した後、充填剤を穴２００４内に埋め戻すことができる。したがって、アノード層２０２がその後の作業で堆積されると、カソード層３０４は、充填剤２００２にわたってアノード層２０２から電気的に分離され得る。したがって、充填剤２００２は、リチウムに対して不活性で、かつ、電気的に絶縁性のあり得る種々の材料を含むことができる。材料の選択肢としては、穴２００４内に注入し、その後、例えば、時間、熱及び／又は紫外線照射下で硬化させることができる接着材料を挙げることができる。   Referring to FIG. 20, a side view of an electrochemical cell having a backfilled electrolyte layer is shown according to one embodiment. In one embodiment, the void 402 detected in the precursor cell 1900 can be filled with a filler 2002. For example, the through hole 2004 may be formed in the electrolyte layer 302 by cutting, drilling, polishing, or the like the gap 402. The holes 2004 widen the voids in the electrolyte layer 302, making it easier to insert the filler. Further, although the hole 2004 can be controlled to stop at the top surface of the cathode layer 304, in one embodiment, the hole 2004 may extend into the cathode layer 304. After forming the hole 2004, the filler can be backfilled into the hole 2004. Thus, as anode layer 202 is deposited in a subsequent operation, cathode layer 304 can be electrically separated from anode layer 202 over filler 2002. Thus, the filler 2002 can include a variety of materials that are inert to lithium and can be electrically insulating. Material options can include adhesive materials that can be injected into the hole 2004 and then cured under, for example, time, heat and / or UV irradiation.

図２１を参照すると、一実施形態に係る、電解質層に欠陥を有する電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、電解質層３０２内の空隙４０２は、アノード層２０２の堆積後に検出することができる。例えば、アノード層２０２の上にアノード集電体３１０を配置する前に、空隙４０２を検出するために上述の検出方法の１つを使用することができる。一実施形態において、上述のように、電圧プローブを使用して検出を容易にするためにアノード層をパターン化してもよい。したがって、空隙４０２を介して、カソード層３０４をアノードリーク４０４から分離する修復技術を使用してもよい。   Referring to FIG. 21, a side view of an electrochemical cell having a defect in an electrolyte layer according to one embodiment is shown. In one embodiment, voids 402 in electrolyte layer 302 can be detected after deposition of anode layer 202. For example, one of the detection methods described above can be used to detect the air gap 402 prior to placing the anode current collector 310 on the anode layer 202. In one embodiment, as described above, the anode layer may be patterned to facilitate detection using a voltage probe. Thus, a repair technique that separates the cathode layer 304 from the anode leak 404 via the air gap 402 may be used.

図２２Ａを参照すると、一実施形態に係る、アノードリークから分離されたカソード層を有する電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、空隙４０２がアノード層２０２からカソード層３０４に延出しないように、空隙４０２上のアノード層２０２を除去してもよい。即ち、アノード材料は空隙４０２の第１端部上で除去され、空隙４０２の上に存在しなくなるため、空隙を通ってリークすることはあり得なくなる。したがって、空隙４０２を介するアノードリーク４０４は確立され得ず、したがって、電気化学セル２００の性能に及ぼす空隙４０２の影響を緩和することができる。アノード層２０２の除去には、空隙４０２の上に止まり穴２２０２を形成することが含まれ得る。止まり穴２２０２の内側寸法は、空隙４０２の直径と少なくとも同じ大きさにすることができ、止まり穴２２０２の底部は、電解質層３０２の上面又はその下で終端してもよい。したがって、修復された電気化学セル２００は、空隙４０２に隣接してアノード層２０２の材料を有さず、アノードリーク４０４が発生するリスクを低減することができる。   Referring to FIG. 22A, a side view of an electrochemical cell having a cathode layer separated from anode leakage is shown, according to one embodiment. In one embodiment, the anode layer 202 on the gap 402 may be removed such that the gap 402 does not extend from the anode layer 202 to the cathode layer 304. That is, the anode material is removed on the first end of the void 402 and no longer exists on the void 402, and therefore cannot leak through the void. Therefore, the anode leak 404 through the gap 402 cannot be established, and therefore the influence of the gap 402 on the performance of the electrochemical cell 200 can be mitigated. Removal of the anode layer 202 can include forming a blind hole 2202 over the void 402. The inner dimension of the blind hole 2202 can be at least as large as the diameter of the void 402, and the bottom of the blind hole 2202 may terminate at or below the top surface of the electrolyte layer 302. Therefore, the repaired electrochemical cell 200 does not have the material of the anode layer 202 adjacent to the gap 402, and can reduce the risk of the anode leak 404 occurring.

図２２Ｂを参照すると、一実施形態に係る、アノードリークから分離されたカソード層を有する電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、アノード層２０２及び空隙４０２を除去し、カソード層３０４をアノード層２０２から分離することができる。より具体的には、止まり穴２２０２をアノード層２０２と電解質層３０２を通して形成することで、空隙４０２を除去することができる。止まり穴２２０２の側壁２２０４は連続していてもよく、側壁２２０４に沿った各層は電気的に絶縁され、例えばテーパ付き側壁２２０４を有するように本質的に互いに連続している。即ち、アノード層２０２及び電解質層３０２の側壁２００４は実質的に互いに連続してもよいが、アノード層２０２をカソード層３０４から十分に分離することで、アノード層２０２の材料がカソード層３０４と電気的に短絡する可能性を低減することができる。したがって、修復された電気化学セル２００は、組み立てられた固体電池におけるアノードリーク４０４の生じるリスクを低減することができる。   Referring to FIG. 22B, a side view of an electrochemical cell having a cathode layer separated from anode leakage is shown, according to one embodiment. In one embodiment, anode layer 202 and void 402 can be removed and cathode layer 304 can be separated from anode layer 202. More specifically, the void 402 can be removed by forming the blind hole 2202 through the anode layer 202 and the electrolyte layer 302. The side walls 2204 of the blind holes 2202 may be continuous, and the layers along the side walls 2204 are electrically isolated and are essentially continuous with one another, for example with tapered side walls 2204. That is, the anode layer 202 and the sidewalls 2004 of the electrolyte layer 302 may be substantially continuous with each other, but by sufficiently separating the anode layer 202 from the cathode layer 304, the material of the anode layer 202 is electrically connected to the cathode layer 304. The possibility of short-circuiting can be reduced. Thus, the repaired electrochemical cell 200 can reduce the risk of anode leakage 404 occurring in the assembled solid state battery.

図２２Ｃを参照すると、一実施形態に係る、アノードリークからカソード層が分離された電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、空隙４０２に隣接するアノード層２０２を除去するのではなく、カソード層３０４の一部をカソード層３０４の残りの部分から分離することにより、アノードリーク４０４が発生しても、劣化した領域をカソード層３０４の小部分に限定することができる。したがって、電気化学セルの性能に及ぼす影響を低減することができる。一実施形態では、チャネル２２０６を空隙４０２の周囲に形成し、第１カソード部２２０８を第２カソード部２２１０から分離してもよい。チャネル２２０６は環状であり、第１カソード部２２０８の側壁を含む内壁、及び第２カソード部２２１０の側壁を含む外壁を備えることができる。更に、チャネル２２０６は、電気化学セル２００又は前駆セル１９００の上面からバリアフィルム層３０６まで延在してもよい（及び更にカソード層３０４を支持するバリアフィルム層２０６の上面の下方にまで延出してもよい）。このように、チャネル２２０６は不連続性を生成して、カソード部分を互いから物理的に分離することができる。一実施形態では、チャネル２２０６を例えば誘電体充填剤で充填し、物理的、電気的、又はイオン的に、カソード部分を更に分離することができる。アノードリーク４０４がアノード層２０２と第１カソード部２２０８との間に形成される恐れがあるが、第１カソード部２２０８の容量を小さくすることにより、その部分の全体を化学的に反応させ、次にカソード層３０４の近くの領域への化学反応の更なる伝播の補助を停止させることができる。したがって、電気化学セル２００は、電気化学セル２００の性能に及ぼすアノードリーク４０４の影響を低減することができる。   Referring to FIG. 22C, a side view of an electrochemical cell with an anode leak separated from an anode leak is shown according to one embodiment. In one embodiment, the anode layer 202 adjacent to the air gap 402 is not removed, but a portion of the cathode layer 304 is separated from the remaining portion of the cathode layer 304 so that the anode leak 404 may be degraded. This region can be limited to a small portion of the cathode layer 304. Therefore, the influence on the performance of the electrochemical cell can be reduced. In one embodiment, the channel 2206 may be formed around the air gap 402 and the first cathode portion 2208 may be separated from the second cathode portion 2210. The channel 2206 is annular and may include an inner wall that includes the sidewall of the first cathode portion 2208 and an outer wall that includes the sidewall of the second cathode portion 2210. Further, the channel 2206 may extend from the top surface of the electrochemical cell 200 or precursor cell 1900 to the barrier film layer 306 (and further extend below the top surface of the barrier film layer 206 that supports the cathode layer 304. Also good). In this way, the channel 2206 can create discontinuities to physically separate the cathode portions from each other. In one embodiment, the channel 2206 can be filled with, for example, a dielectric filler to further separate the cathode portion physically, electrically, or ionically. An anode leak 404 may be formed between the anode layer 202 and the first cathode portion 2208. By reducing the capacity of the first cathode portion 2208, the entire portion is chemically reacted, and the following is performed. This can stop the aid of further propagation of the chemical reaction to the region near the cathode layer 304. Therefore, the electrochemical cell 200 can reduce the influence of the anode leak 404 on the performance of the electrochemical cell 200.

カソード層３０４を分離することに関して上述したさまざまな修復変形例は、種々の製造技術を用いて行うことができる。例えば、穴２００４、止まり穴２２０２、又はチャネル２２０６は、例えばレーザアブレーション、研磨剤ジェット加工、エッチングなどのレーザ加工技術を使用して、電気化学セル２００の１つ以上の層を通して形成することができる。レーザアブレーションなどのこれらの処理の一部は、従来のレーザ切削加工の場合に典型的であるように、材料厚さ全体を溶融切断することなく、バリアフィルム層３０６の薄い上部層などの材料層の一部を除去することができる。更に、充填剤２００２で穴２００４を埋め戻すような、材料を追加することを含む変形例は、コーティング、注入、堆積などの材料の塗布技術を用いて行うことができる。したがって、製品コスト及び性能に対する電解質層の欠陥の影響は、欠陥を検出して修復することによって軽減することができる。   The various repair variations described above with respect to separating the cathode layer 304 can be made using various manufacturing techniques. For example, the hole 2004, blind hole 2202, or channel 2206 can be formed through one or more layers of the electrochemical cell 200 using, for example, laser processing techniques such as laser ablation, abrasive jet processing, etching, and the like. . Some of these processes, such as laser ablation, can be performed with a material layer, such as a thin top layer of the barrier film layer 306, without melting the entire material thickness, as is typical in conventional laser cutting processes. A part of can be removed. Further, variations involving the addition of material, such as backfilling holes 2004 with filler 2002, can be performed using material application techniques such as coating, pouring, deposition and the like. Thus, the effect of electrolyte layer defects on product cost and performance can be mitigated by detecting and repairing defects.

本発明はまた、下記の項目別実施形態を提供する。   The present invention also provides the following itemized embodiments.

１．電気化学セルであって、アノード層とカソード層との間に電解質層を備え、電解質層は、充填剤により少なくとも部分的に充填された穴を含み、充填剤は、カソード層からアノード層を分離する、電気化学セル。   1. An electrochemical cell comprising an electrolyte layer between an anode layer and a cathode layer, the electrolyte layer comprising holes at least partially filled with a filler, the filler separating the anode layer from the cathode layer The electrochemical cell.

２．電気化学セルであって、アノード層とカソード層との間に電解質層を備え、電解質層は、第１端部からカソード層まで延在する空隙を含み、アノード層は、空隙の上に穴を含み、この穴は空隙をアノード層から分離する、電気化学セル。   2. An electrochemical cell comprising an electrolyte layer between an anode layer and a cathode layer, the electrolyte layer including a void extending from the first end to the cathode layer, the anode layer having a hole above the void An electrochemical cell containing and separating the void from the anode layer.

３．電気化学セルであって、アノード層とカソード層との間に電解質層を備え、電解質層は、空隙と、空隙の周囲に、電解質層及びカソード層を通って延在するチャネルと、を含み、カソード層の第１領域がチャネルによりカソード層の第２領域から分離されている、電気化学セル。   3. An electrochemical cell comprising an electrolyte layer between an anode layer and a cathode layer, the electrolyte layer comprising a void and a channel extending through the electrolyte layer and the cathode layer around the void; An electrochemical cell, wherein the first region of the cathode layer is separated from the second region of the cathode layer by a channel.

４．電解質層内の、第１端部から電気化学セルのカソード層まで延在する空隙を検出することと、カソード層を第１端部から分離することと、を含む、方法。   4). Detecting a void in the electrolyte layer that extends from the first end to the cathode layer of the electrochemical cell and separating the cathode layer from the first end.

５．電解質層がカソード層とアノード層との間にあり、空隙を検出することはアノード層の１つ以上のアノードサブ領域における電圧を測定することを含む、項目４に記載の方法。   5). 5. The method of item 4, wherein the electrolyte layer is between the cathode layer and the anode layer, and detecting the air gap includes measuring a voltage in one or more anode subregions of the anode layer.

６．カソード層を分離することは、カソード層を第１端部から分離するために空隙を充填剤で充填することを含む、項目４に記載の方法。   6). 5. The method of item 4, wherein separating the cathode layer includes filling the void with a filler to separate the cathode layer from the first end.

７．空隙がアノード層からカソード層まで延在するようにアノード層を電解質層上に堆積させることを更に含み、カソード層を分離することは、空隙がアノード層からカソード層まで延在しないように、空隙上のアノード層を除去することを含む、項目４に記載の方法。   7). The method further includes depositing the anode layer on the electrolyte layer such that the void extends from the anode layer to the cathode layer, and separating the cathode layer prevents the void from extending from the anode layer to the cathode layer. 5. The method of item 4, comprising removing the upper anode layer.

８．空隙がアノード層からカソード層の第１領域まで延在するようにアノード層を電解質層上に堆積させることを更に含み、カソード層を分離することは、カソード層の第１領域がチャネルによりカソード層の第２領域から分離されるように、電解質層とカソード層とを通って空隙の周囲にチャネルを形成することを含む、項目４に記載の方法。   8). The method further includes depositing the anode layer on the electrolyte layer such that the void extends from the anode layer to the first region of the cathode layer, and separating the cathode layer includes the first region of the cathode layer being channeled by the cathode layer. 5. A method according to item 4, comprising forming a channel around the void through the electrolyte layer and the cathode layer so as to be separated from the second region.

上述の明細書では、本発明は、その特定の例示的実施形態を参照して説明されている。以下の請求項に明記されているような本発明のより広い趣旨及び範囲から逸脱することなく、それらに対して種々の変更がなされてもよいことは明らかであろう。したがって、本明細書及び図面は、制限的な意味ではなく、例示的な意味で考慮されるべきである。   In the foregoing specification, the invention has been described with reference to specific exemplary embodiments thereof. It will be apparent that various modifications may be made thereto without departing from the broader spirit and scope of the invention as specified in the following claims. The specification and drawings are, accordingly, to be regarded in an illustrative sense rather than a restrictive sense.

Claims (16)

連続的な層構造を有する第１カソード集電体と、
前記第１カソード集電体の前記連続的な層構造を介して互いに電気的に接続された複数の第１カソードサブ領域を有する第１カソード層であって、前記複数の第１カソードサブ領域は間隙によって分離され、前記間隙は、誘電体ガスにより少なくとも部分的に充填されている、第１カソード層と、
前記複数の第１カソードサブ領域と第１アノード層との間に電解質層と、を備え、
前記複数の第１カソードサブ領域は、前記間隙によって分離された対応する側壁を含み、前記第１アノード層は、前記側壁を覆う連続的な層構造を含み、前記間隙は、前記側壁間に設けられた前記第１アノード層の一部をアノード集電体から分離する、電気化学セル。 A first cathode current collector having a continuous layer structure;
A first cathode layer having a plurality of first cathode subregions electrically connected to each other through the continuous layer structure of the first cathode current collector, wherein the plurality of first cathode subregions is A first cathode layer separated by a gap, the gap being at least partially filled with a dielectric gas;
An electrolyte layer between the plurality of first cathode subregions and the first anode layer,
The plurality of first cathode sub-regions include corresponding sidewalls separated by the gap, the first anode layer includes a continuous layer structure covering the sidewall, and the gap is provided between the sidewalls. was the part of the first anode layer is separated from the anode over de collector, an electrochemical cell. 前記第１カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記第１カソード層の全投影された表面区域の少なくとも８０％である、請求項１に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein the sum of the projected surface areas of the first cathode sub-region is at least 80% of the total projected surface area of the first cathode layer. 前記第１アノード層は、前記間隙によって分離された複数のアノードサブ領域を有する不連続な層構造を含む、請求項１又は２に記載の電気化学セル。 Wherein the first anode layer comprises a discontinuous layer structure having a plurality of anode sub-regions separated by the gap electrochemical cell according to claim 1 or 2. 前記アノード集電体は、連続的な層構造を有し、前記複数のアノードサブ領域は、前記アノード集電体の前記連続的な層構造を介して互いに電気的に接続される、請求項３に記載の電気化学セル。 It said anode current collector has a continuous layer structure, the plurality of anode sub-region is electrically connected to each other through said continuous layered structure of the anode current collector, according to claim 3 The electrochemical cell according to 1. 連続的な層構造を有する第１カソード集電体と、
前記第１カソード集電体の前記連続的な層構造を介して互いに電気的に接続された複数の第１カソードサブ領域を有する第１カソード層であって、前記複数の第１カソードサブ領域は間隙によって分離され、前記間隙は、誘電体ガスにより少なくとも部分的に充填されている、第１カソード層と、
前記複数の第１カソードサブ領域と第１アノード層との間に電解質層と、を含む第１電気化学セルと、
間隙によって分離され、かつ、第２カソード集電体に電気的に接続される複数の第２カソードサブ領域を有する第２カソード層と、前記複数の第２カソードサブ領域上に第２アノード層と、を含む第２電気化学セルと、を備え、
前記第１電気化学セルは前記第２電気化学セル上に積層され、前記第１アノード層が前記第２アノード層に連結され、タブ挿入空間が前記第１カソード集電体と前記第２カソード集電体との間に設けられる、電気化学デバイス。 A first cathode current collector having a continuous layer structure;
A first cathode layer having a plurality of first cathode subregions electrically connected to each other through the continuous layer structure of the first cathode current collector, wherein the plurality of first cathode subregions is A first cathode layer separated by a gap, the gap being at least partially filled with a dielectric gas;
A first electrochemical cell including an electrolyte layer between the plurality of first cathode subregions and a first anode layer;
A second cathode layer having a plurality of second cathode subregions separated by a gap and electrically connected to the second cathode current collector; and a second anode layer on the plurality of second cathode subregions; A second electrochemical cell comprising:
The first electrochemical cell is stacked on the second electrochemical cell, the first anode layer is connected to the second anode layer, and a tab insertion space is formed between the first cathode current collector and the second cathode current collector. An electrochemical device provided between the electric body. 前記タブ挿入空間内に設けられたアノード集電タブを更に備える、請求項５に記載の電気化学デバイス。 The electrochemical device according to claim 5 , further comprising an anode current collecting tab provided in the tab insertion space. 前記第１及び第２アノード層は、前記タブ挿入空間をそれぞれの第１及び第２カソード集電体から分離するそれぞれの連続的な層構造を含み、前記アノード集電タブは前記第１及び第２アノード層に電気的に接続される、請求項６に記載の電気化学デバイス。 The first and second anode layers include respective continuous layer structures that separate the tab insertion space from the respective first and second cathode current collectors, and the anode current collection tab includes the first and second anode layers. The electrochemical device of claim 6 electrically connected to the two anode layers. 前記第１カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記第１カソード層の全投影された表面区域の少なくとも８０％であり、前記第２カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記第２カソード層の全投影された表面区域の少なくとも８０％である、請求項５から７のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。 The total projected surface area of the first cathode subregion is at least 80% of the total projected surface area of the first cathode layer, and the total projected surface area of the second cathode subregion is The electrochemical device according to any one of claims 5 to 7 , which is at least 80% of the total projected surface area of the second cathode layer. 前記第１カソード層と前記第２カソード層との間にあって前記第１及び第２アノード層に物理的に接続される絶縁層を備え、前記絶縁層は、リチウムに対して不活性である、請求項５に記載の電気化学デバイス。 An insulating layer between the first cathode layer and the second cathode layer and physically connected to the first and second anode layers, wherein the insulating layer is inert to lithium. Item 6. The electrochemical device according to Item 5 . 連続的な層構造を有するアノード集電体と、
前記アノード集電体の前記連続的な層構造を介して互いに電気的に接続される複数の第１アノードサブ領域を有する第１アノード層と、
前記複数の第１アノードサブ領域と第１カソード層との間に電解質層と、を備え、
前記複数の第１アノードサブ領域は、前記アノード集電体と前記電解質層との間に延在する間隙によって分離され、前記間隙は、誘電体ガスにより少なくとも部分的に充填され、
前記カソード層は複数のカソードサブ領域及びカソード集電体を含み、少なくとも２つのアノードサブ領域が各カソードサブ領域の上に設けられ、前記カソードサブ領域は前記アノード集電体と前記カソード集電体との間に延在する第２の間隙によって互いに分離され、前記第２の間隙は、誘電体ガスにより少なくとも部分的に充填されている、電気化学セル。 An anode current collector having a continuous layer structure;
A first anode layer having a plurality of first anode sub-regions electrically connected to each other through the continuous layer structure of the anode current collector;
An electrolyte layer between the plurality of first anode sub-regions and the first cathode layer;
The plurality of first anode sub-regions are separated by a gap extending between the anode current collector and the electrolyte layer, the gap being at least partially filled with a dielectric gas;
The cathode layer includes a plurality of cathode sub-regions and a cathode current collector, and at least two anode sub-regions are provided on each cathode sub-region, and the cathode sub-region includes the anode current collector and the cathode current collector. An electrochemical cell separated from each other by a second gap extending between and wherein the second gap is at least partially filled with a dielectric gas. 前記カソード集電体は、前記カソードサブ領域に電気的に接続される連続的な層構造を有する、請求項１０に記載の電気化学セル。 The cathode current collector has a continuous layer structure that is electrically connected to the cathode sub-region, electrochemical cell according to claim 1 0. 前記アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記アノード層の全投影された表面区域の２５％未満である、請求項１０又は１１に記載の電気化学セル。 The total projected surface area of the anode sub-region is less than 25% of the total projected surface area of the anode layer electrochemical cell according to claim 1 0 or 1 1. 前記カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記カソード層の全投影された表面区域の少なくとも８０％である、請求項１０に記載の電気化学セル。 The total projected surface area of the cathode sub-region is at least 80% of the total projected surface area of the cathode layer electrochemical cell according to claim 1 0. 複数の第２アノードサブ領域を有する第２アノード層と、前記複数の第２アノードサブ領域と第２カソード層との間に第２電解質層と、を含む第２電気化学セルと、
前記第１カソード層と前記第２カソード層との間にあり、前記第１アノードサブ領域及び前記第２アノードサブ領域に物理的に接続され、前記第１アノードサブ領域が前記アノード集電体の前記連続的な層構造を介して前記第２アノードサブ領域に電気的に接続される前記アノード集電体と、を組み合わせた請求項１０の前記電気化学セルを備える、電気化学デバイス。 A second electrochemical cell comprising: a second anode layer having a plurality of second anode subregions; and a second electrolyte layer between the plurality of second anode subregions and the second cathode layer;
The first cathode layer and the second cathode layer are between the first cathode layer and the second cathode layer and are physically connected to the first anode sub region and the second anode sub region, and the first anode sub region is connected to the anode current collector. comprising the electrochemical cell according to claim 1 0, wherein the anode current collector which is electrically connected, a combination of the second anode sub-region through said continuous layered structure, the electrochemical device. 前記第２電気化学セルは、前記第２カソード層に電気的に接続された第２カソード集電体と、を更に備える、請求項１４に記載の電気化学デバイス。 The second electrochemical cell further comprises a second cathode current collector which is electrically connected to the second cathode layer, the electrochemical device according to claim 1 4. 前記第１アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記第１アノード層の全投影された表面区域の２５％未満であり、前記第２アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記第２アノード層の全投影された表面区域の２５％未満である、請求項１４又は１５に記載の電気化学デバイス。 The total projected surface area of the first anode sub-region is less than 25% of the total projected surface area of the first anode layer, and the total projected surface area of the second anode sub-region is , less than 25% of the total projected surface area of the second anode layer, the electrochemical device according to claim 1 4 or 1 5.
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